SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
INDICE
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Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
CONTENIDO
PAG.
RESUMEN……………………………………………………………….3
ABSTRACT………………………………………………………………4
INTRODUCCION………………………………………………………..5
OBJETIVO……………………………………………………………….6
JUSTIFICACION………………………………………………………..6
CAPITULO 1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS
1._ Estado del arte………………………………………………………9
1.1._ Propiedades del Pet……………………………………………..11
1.2._ Almacenamiento de materia prima…………………………….12
1.2.1._ Manejo de materia prima y mercancía………………………13
1.2.2._ Clasificación de materia prima……………………………….15
1.3._ Sistema de transporte…………………………………………..16
1.3.1._ Banda transportadora…………………………………………16
1.3.2._ Funcionamiento de una cinta transportadora………………17
2
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1.3.3._ Funcionamiento de rodillos transportadores……………….17
1.3.4._ Partes principales de una banda transportadora…………. 18
1.4._ Sistema de llenado de botellas…………………………………19
CONTENIDO
PAG.
1.4.1._ Lavado de botellas...………………………………………….19
1.4.2._ Llenado de botellas…………………………………………...20
1.5._ Sistema de etiquetado…………………………………………..21
1.5.1._ Etiquetado de botellas plásticas para uso industrial……....22
1.6._ Elaboración del producto………………………………………..24
1.7._ Métodos de etiquetado………………………………………….24
1.7.1._ Empaquetado de botellas plásticas………………………….25
1.7.2._ Empaquetado por papel………………………………………26
1.7.3._ Empaquetado por plástica……………………………………26
1.8._ Formas de automatización……………………………………..27
1.8.1._ Formas de control de un proceso…………………………...27
1.8.2._ Tipos de procesos industriales………………………………28
1.8.3._ Elementos de control…………………………………………28
3
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CAPITULO 2. SISTEMAS DE CONTROL.
2._ Introducción………………………………………………………..31
2.1._ Diseño de la bando transportadora…………………………...31
2.1.1._ Selección del motor…………………………………………..32
2.1.2._ Tipos y características del motor……………………………33
CONTENIDO
PAG.
2.1.2.1 Motores de c.d………………………………………………33
2.1.2.2 Motores de c.a………………………………………………34
2.1.2.3 Motores universales………………………………………..34
2.1.3._ Motores lineales……………………………………………..35
2.2._ Sistema de etiquetado………………………………………..35
2.2.1._ Selección de motores paso a paso……………………….36
2.2.2._ Ventajas de los motores paso a paso……………………36
2.2.3._ Desventaja de los motores paso a paso…………………37
2.3._ Sistemas de empaquetado…………………………………..37
2.3.1._ Sistema neumático………………………………………….37
2.3.1.1._ Actuadotes………………………………………………...37
2.3.1.2._ Sistema neumático e hidráulico…………………………38
4
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2.3.1.3._ Fuente de emergencia……………………………………38
2.3.1.4._ Cilindros……………………………………………………39
2.3.1.5._ Cilindro simple…………………………………………….39
2.3.1.6._ Cilindros de doble efecto…………………………………39
2.3.2._ Válvulas………………………………………………………40
2.3.2.1._Válvulas distribuidoras……………………………………41
2.3.2.2._Accionamiento de válvulas………………………………43
CONTENIDO
PAG.
2.4._ PLC………………………………………………………….....44
2.4.1._ Rack principal………………………………………………44
2.4.2._ Fuente de alimentación……………………………………45
2.4.3._ CPU………………………………………………………….45
2.4.4._ Tarjeta de señales de entrada/salida digital…………….45
2.4.5._ Tarjeta de señales de entrada/salida analógicas………46
2.4.6._ Tarjetas especiales………………………………………..47
2.5._ Sensores……………………………………………………..47
2.5.1._ Sensores de posición...…………………………………..48
2.5.2._Captadores…………………………………………………48
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2.5.3._ Sensores de contacto…………………………………….48
2.5.4._ Sensores de movimiento…………………………………49
2.5.4.1._ Sensores de deslizamiento……………………………49
2.5.4.2._ Sensores de velocidad…………………………………49
2.5.4.3._ Sensores de aceleración………………………………50
2.5.4.4._ Sensores de proximidad……………………………….50
2.5.4.5._ Sensores neumáticos de proximidad…………………51
2.5.4.6._ Sensores de presión……………………………………51
2.5.5._Encoder…………………………………………………….52
CONTENIDO
PAG.
2.5.5.1._ Encoder incrementales…………………………………52
2.5.5.2._ Encoder absoluto………………………………………..52
2.5.6._
Sensores de caudal de aire……………………………54
2.5.7._ Sensores de corriente…………………………………….54
2.6._ Transmisión mecánica con elementos flexibles…………54
2.6.1._ Bandas de transmisión…………………………………..55
2.6.2._ Transmisión de cadena de rodillos……………………..55
2.6.3._ Cables metálicos…………………………………………56
6
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2.7._ Engranes…………………………………………………….57
2.7.1._ Engranes rectos…………………………………………..57
2.7.2._ Engranes helicoidales……………………………………58
2.7.3._ Engranes cónicos…………………………………………58
2.7.4._ Engranes sin fin…………………………………………..59
2.8._ Resistencia de materiales…………………………………59
CAPITULO 3. MEMORIA DE CALCULOS
3._Introducción…………………………………………………….62
3.1._ Calculo para el motor………………………………………62
3.1.1 Ecuación para un transporte helicoidal………………….62
CONTENIDO
PAG.
3.2._ Calculo del diente del engrane……………………………66
3.2.1._ Diámetro del paso del engrane impulsor………………67
3.2.2._ Diámetro del paso del engrane conducido……………67
3.2.3._ Calculo de la velocidad lineal…………………………..67
3.3._ Calculo del eje……………………………………………..69
3.4._ Calculo de la cuña…………………………………………72
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3.5._ Cálculo de los cilindros neumáticos……………………...73
3.5.1._ Calculo del cilindro neumático de le “E” invertida…….74
3.5.2._ Cálculo del cilindro neumático de empuje de la caja…76
3.5.3._ Cálculo del cilindro neumático de la trampa…………..77
3.5.4._ Calculo del soporte de la banda………………………..85
3.5.5._ Calculo de la estructura de la “C”………………………87
3.6._ Pendiente en A…………………………………………….88
3.7._ Deflexión……………………………………………………89
CAPITULO 4 COSTOS
4._ Introducción…………………………………………………92
4.1._ Acoplamiento del motor y la flecha…………………….92
CONTENIDO
PAG.
4.2._ Esfuerzos que afectan a la cuña por medio de……………94
Círculo de mohr
4.3._ Conceptos de ingeniería……………………………………..95
4.4._ Material ya manufacturado…………………………………..96
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4.4.1._ Costo del motor reductor…………………………………..96
4.4.2._ Fabricación del engrane……………………………………96
4.4.3._ Fabricación de las flechas………………………………….98
4.4.4._ Costo de la cadena de tablillas plásticas…………………99
4.4.5._ Costo de los motores paso a paso………………………..99
4.4.6._ Costo de los sensores…………………………………….100
4.4.7._ Electro válvulas 5/2……………………………………….100
4.4.8._ Electro válvulas 3/2……………………………………….101
4.4.9._ Costo de la “E” invertida………………………………….102
4.4.10._ Costo de la fabricación de la “C”………………………103
4.4.11._ Costo del perfil…………………………………………..104
4.4.12._ Costo del PLC…………………………………………...104
4.5._ Compilación del total de los componentes………………105
CONTENIDO
PAG.
Anexos A
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Diagrama Eléctrico del motor paso a paso………………………107
Diagrama del motor reductor………………………………………108
Diagrama neumático……………………………………………….109
Señales del PLC……………………………………………………110
Conclusiones…………………………………………………….111
Bibliografía………………………………………………….112
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RESUMEN
En el presente documento se abordaron los elementos necesarios para una mejor comprensión
del tema así como los puntos más sobresalientes en el diseño de los sistemas de etiquetado y
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empaquetado de las botellas plásticas. Explicando brevemente los procesos, los tipos de
procesos usados actualmente en distintas industrias, las principales características de las
máquinas, así como sus ventajas y desventajas de algunas de estas.
El etiquetado de un producto es ofrecer soluciones para la decoración e identificación de
producto. La tendencia actual, lejos del caro embalaje exterior, ha centrado su atención en la
etiqueta como uno de los instrumentos de mercadeo de producto más importantes.
Las etiquetas de producto son a menudo herramientas para crear impresiones duraderas que
promueven la imagen de la marca y dan un toque personal. La información de la etiqueta
constituye un medio primario por el que los consumidores diferencian entre productos
individuales y marcas para estar bien informados a la hora de hacer elecciones de compra.
En el proceso de empaquetado, se entiende como la acción de guardar, proteger y preservar
los productos durante su distribución, almacenaje y manipulación, a la vez que sirve como
identificación y promoción del producto e información para su uso.
Los empaquetados se destinan a bebidas y alimentos, pero también son esenciales para
cosméticos, productos del hogar, productos eléctricos, medicinas, artículos para la salud,
productos químicos para el campo, semillas, piensos y bienes industriales de todo tipo, como
repuestos para motores o software y hardware para ordenadores o computadoras.
ABSTRACT
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In the paper there were analyzed the elements necessary for a better comprehension of the
topic as well as the most outstanding points in the design of the labeled and packaging system
for the plastic bottles. Explaining briefly the processes, the types of processes used at present
in different industries, the principal characteristics of the machines, as well as his advantages
and disadvantages of some of these.
The labeled one of a product is to offer solutions for the decoration and identification of
product. The current tendency, off the expensive exterior packing, has worked for become the
label as one of the more important instruments of marketing of product.
The labels of product are often hardware to create lasting impressions that promote the image
of the mark and give a personal appearance. The information of the label constitutes a primary
way for which the consumers differ between individual products and marks to be informed
well at the time of doing elections of buy.
In the packaging process, its definite as the action to keep, to protect and to preserve the
products during his distribution, storage and manipulation, simultaneously that serves as
identification and promotion of the product and information for his correct use.
The nowadays packaging process are destined to drinks and food, but also they are essential
for cosmetics, products of the hearth, electrical products, medicines, articles for the health,
chemical products for the field, seeds and industrial goods of all kinds, as restored for engines
or software and hardware for computers.
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INTRODUCCIÓN
Dentro de la historia de la humanidad han ocurrido grandes cambios, uno de ellos fue La
Revolución Industrial, considerado como el mayor cambio tecnológico, socioeconómico y
cultural iniciándose en el Reino Unido a finales del siglo XVIII y principios del XIX, trayendo
consigo un importante crecimiento en la fabricación de maquinarias, como consecuencia los
talleres fueron sustituidas por industrias, los trabajos que se realizaban de forma manual
fueron sustituidos por maquinaria.
Con el avance de los sistemas de producción evolucionó el contrato de compraventa que es
aquel contrato bilateral en el cual el vendedor entrega un servicio o bien determinado a un
comprador que paga una cierta cantidad monetaria por dicho servicio o bien.
A mediados del siglo XX la gran transformación de la vida rural a la vida urbana exigió que
los alimentos pudieran ser transportados desde el campo a la ciudad y pudieran mantenerse
durante mayores períodos de tiempo en buen estado de conservación. Se necesitaron nuevos
contenedores para adaptarse a esos cambios.
Los envases de cartón y papel tuvieron una gran aceptación, ya que mantenían las cantidades
pre-pesadas de café, cereales, sal y otros artículos básicos. Pero la necesidad de identificar el
contenido de los envases era por medio de hojas de papel con el nombre del producto.
Las etiquetas se realizaron hasta el siglo XVIII utilizando papel hecho a mano e
imprimiéndolas con una rudimentaria técnica consistente en la presión de dos tablillas de
madera entre las cuales se situaba éste.
En 1798, dos grandes inventos revolucionaron la proliferación de las etiquetas: la invención
de la máquina de papel y el invento de la litografía. [WBWk, 2006]
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La función principal de la etiqueta es informar al consumidor sobre el contenido del envase,
los ingredientes, forma de preparación, modo de uso, precauciones, el valor nutricional para
el caso de alimentos, así como los mensajes principales en una etiqueta como el nombre de la
empresa o quien lo fabrica, código de barras, nombre del producto, contenido, dirección del
fabricante.
Una de las características de la etiqueta es que el mensaje de contenido debe ser veraz, exacto
y no engañoso, los productos que se envasan en un medio líquido deben mostrar en la etiqueta
tanto el peso neto, como el peso escurrido.
OBJETIVO
Automatizar un sistema para el control de botellas plásticas. Controlar las variables
involucradas de los procesos de etiquetado y empacado, la transportación del producto por
medio de una banda a los procesos mencionados anteriormente.
JUSTIFICACIÓN
La elaboración de productos para la limpieza del calzado ha ido en constante evolución desde
las ceras sólidas hasta los limpiadores de gamuza, ante y pieles. El proceso de elaboración es
realmente sencillo, puesto que tan solo se mezcla la materia prima en un recipiente, se llenan,
se etiquetan las botellas y se empacan para su distribución comercial.
Tomando en cuenta que la maquinaria empleada para dichos procesos son de elevado costo
para las empresas en vías de desarrollo por su alta tecnología utilizada, sin embargo no en
todo el proceso se ha implementado maquinaria automatizada, buscando sistemas alternos que
15
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satisfagan las necesidades .Es importante mencionar que en algunas medianas empresas los
procesos de etiquetado y empacado se realiza de forma manual, por ejemplo en la elaboración
de productos de limpieza caseros. Se considera necesario la explicación del proceso de
elaboración por lo que se explicaran cada uno de los procesos para obtener el producto
terminado, mencionando en forma explicita el proceso de etiquetado y empacado
Después de este paso procede el vaciado de las botellas por medio de una maquina de llenado
de botellas la cual tiene la capacidad e llenar 3 botellas por minuto.
El siguiente paso es el etiquetado el cual en estos momentos se realiza manualmente y el
proceso final es el empacado que también se realiza manualmente.
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En este capítulo se conocerán los elementos
básicos
del
proceso
de
transporte,
el
etiquetado y empacado de botellas plásticas,
así como sus aplicaciones en los usos
industriales.
También se mencionarán los antecedentes
históricos de los diferentes elementos que
intervienen en el proceso de etiquetado y
empacado.
1.- ESTADO DEL ARTE
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Muchos procesos existentes en la industria presentan una evolución secuencial con el tiempo;
es decir el estado actual en que esta el proceso de pende del estado anterior. Estos procesos
pueden automatizarse empleando un autómata programable. Todo proceso que se pretende
automatizar puede descomponerse para su análisis en dos partes: una parte operativa, que
comprende las acciones que determinan los elementos, como motores , cilindros neumáticos,
válvulas, etc y una parte de control que programa las secuencias necesarias para la actuación
de la parte operativa.[Romero 1996.]
La ubicación de las líneas de producción de los distintos sectores de una planta, de sus
maquinarias y equipos de los puestos de trabajo, de los almacenes y demás dependencias hace
el buen funcionamiento de una fabrica. Suelen identificarse tres formas básicas de distribución
de planta: las orientadas al producto, las orientadas al proceso, y las distribuciones por
posición fija. Sin embargo las características del proceso hacen conveniente la utilización de
distribuciones combinadas llamadas distribuciones híbridas.
Es por tanto que una distribución en planta es la integración de toda la maquinaria e
instalaciones de una empresa en una gran unidad operativa, la correcta distribución lograra
minimizar los costos de producción y optimizar la calidad del proceso.[Cabrera 2004.]
En la industria es raro encontrar alguna empresa que no utilice una banda transportadora, sin
embargo los grandes usuarios son principalmente: la industria minera, la industria cementera,
las empacadoras, las empresas graneleras, empresas refresqueras y todas aquellas en donde el
producto tenga que ser llevado de un lugar a otro. [Castillo 1994]
Las bandas transportadoras son elementos auxiliares de diferentes procesos, cuya misión es
recibir o enviar un producto de forma continua y regular para llevarla a otro punto deseado.
Por otra parte las bandas transportadoras son de una gran sencillez de funcionamiento que una
vez instaladas suelen dar pocos problemas mecánicos y de mantenimiento, son maquinas que
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funcionan por si solos intercaladas en una línea de proceso y no requieren generalmente de
ningún operario que manipule directamente sobre ellas.
Desde que el hombre fue nómada y necesito de dispositivos que le permitieran desplazar los
alimentos que casaban tales como el mamut así como otros animales, tuvo que implementar
un sistema de banda para su arrastre, en la etapa de sedentarismo tuvo la necesidad de
modificar ese sistema por otro dispositivo el cual le permitió transportar sus alimentos a las
aldeas para su abastecimiento
de alimentos, por lo cual lo impulso a reemplazar los
habituales procesos que usaban, al nos dimos cuenta que las bandas transportadoras son útiles
en los procesos para transportar un producto a un punto especifico.
En la industria alimentaría se produce gran cantidad y diversidad de productos alimentarios
para sus distribución y venta en distintos países, para asegurarse de que cumpla todos los
requerimientos de seguridad y calidad. La garantía de calidad se basa en el uso de sistemas de
análisis aleatorio en puntos críticos de control.
La utilización de sistemas automatizados hoy en la industria ha acelerado los procesos y
manejo de productividad de las diferentes empresas. [Calzada 2005]
Un transportador de bandas es un equipo que sirve para llevar de un lugar a otro, ya sea
grande o corta la distancia, grandes y pequeñas cantidades de muy variados materiales,
pudiendo tener este trayectorias inclinadas, rectas o una combinación de ambas, las cuales
constan de materiales elásticos que en su parte superior acarrean el material; la banda se
enrolla en varias poleas cilíndricas una colocada en la sección de carga del transportador y
otras en la sección de descarga, y es unida por grapas o se vulcanizan sus extremos.
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La banda transportadora es movida por un equipo motor que consta de motor, coples, reductor
de velocidad cantarina o bandas V y se colocan regular mente en las secciones de descarga.
[Bagazo, 2004]
1.1.- Propiedades del PET
Aunque ciertamente en el pasado los materiales plásticos han sido utilizados como sustitutos
de los materiales tradicionales metálicos y aislantes con resultados no siempre positivos,
tenemos que reconocer que la actual difusión y el empleo ya generalizado a contribuido a un
mejor conocimiento y una aplicación mas apropiada de estos nuevos materiales.
Cuando en alguna aplicación los materiales plásticos deben sustituir a los metales, el vidrio, la
cerámica, debe considerarse las notables propiedades de resistencia a las cargas mecánicas y
térmicas así como el comportamiento en servicios entre el material plástico seleccionado.
Las propiedades de un material plástico dependen en primer lugar de las características
químicas y físicas de las resinas básicas y de los aditivos básicos usados para mejorar o
modificar algunas propiedades de dicha resina.
En general los materiales termoplásticos con estructura lineal, pueden ser subdivididos en dos
subgrupos con referencia a su acomodo molecular:
·
Polímeros con estructura amorfa
·
Polímeros con estructura parcialmente cristalina
La diversa estructura molecular no solo influye en el comportamiento en el proceso de fusión
y solidificación, sino que también determina las propiedades físicas y mecánicas.
21
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En los polímeros con estructura amorfa la fusión no se realiza a una temperatura determinada.
Por lo tanto no existe un “punto de fusión” preciso, en sus lugar el material pasa de un estado
sólido a viscoso, hasta convertirse finalmente en un fluido
Los polímeros con estructura parcialmente cristalina constituido por partes amorfas y
cristalinas, presentan una característica de “punto de fusión” que corresponde a la transición
del estado sólido al estado fluido. [Moldes y maquinas de inyección para la transformación de
plásticos Negri Bossi 1992]
1.2.- ALMACEN DE MATERIA PRIMA
Es el lugar donde se guardan los diferentes tipos de mercancía, material prima entre otros, en
el almacén se controlan físicamente y se mantienen todos los artículos inventariados, de los
inventarios depende la información respecto a tiempos de adelantes, disponibilidades de
materiales, tendencias en los precios y materiales de compras, se deben establecer resguardo
físicos adecuados para proteger los artículos de algún daño de uso innecesario debido a
procedimientos de rotación de inventarios defectuosos de rotación de inventarios defectuosos
y a robos.
Función de los Almacenes:
·
Mantienen las materias primas a cubierto de incendios, robos y deterioros.
·
Permitir a las personas autorizadas el acceso a las materias almacenadas.
·
Mantienen en constante información al departamento de compras, sobre las existencias
reales de materia prima.
·
Lleva en forma minuciosa controles sobre las materias primas (entradas y salidas)
·
Vigila que no se agoten los materiales (máximos – mínimos).
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Función de las Existencias:
·
Garantizar el abastecimiento e invalida los efectos de:
·
Retraso en el abastecimiento de materiales.
·
Abastecimiento parcial
·
Compra o producción en totales económicos.
·
Rapidez y eficacia en atención a las necesidades.
1.2.1- Manejo de las materias primas y de la mercancía
El manejo de las materias primas se puede clasificar mediante una metodología que
continuación se menciona
- Recepción: es la recepción del material de cualquier fuente u otro departamento de la
compañía.
- Cajas o casilleros: Puede aumentar mucho la eficiencia total y la flexibilidad de los
procedimientos que emplea el almacenamiento, se pueden utilizar estantes de madera o de
acero con compartimientos, casilleros.
- Proceso: Al recibir un envió: Se le someterá a verificación para comprobar si esta en orden y
en buenas condiciones, si el recipiente esta dañado o no se recibió el numero de material
requerido. Se resguarda en el almacén pero no se da recibo de conformidad.
- De Manera Similar: El material que recibe una instalación de la compañía también debe ser
sometido a una inspección preliminar, antes de introducirles en el área de almacenamiento, en
el caso de que en la inspección inicial se detecte materiales de calidad en malas condiciones se
le debe rechazar.
Para poder realizar el almacenaje de las materias se debe tomar en cuenta las dimensiones y
características de los materiales, esto determinará el tipo de sistema de almacenamiento y
depende de los siguientes factores:
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·
Espacio disponible para el almacenamiento de los materiales.
·
Tipos de materiales que serán almacenados.
·
Tipos de materiales que serán almacenados.
·
Número de artículos guardados.
·
Velocidad de atención necesaria.
·
Tipo de embalaje.
Una vez establecido las dimensiones y características de los materiales se debe seleccionar el
tipo de almacenaje:
- Carga unitaria: Se da el nombre de carga unitaria a la carga constituida por embalajes de
transporte que arreglan o acondicionan una cierta cantidad de material para posibilitar su
manipulación, transporte y almacenamiento como si fuese una unidad.
- La formación de cajas unitarias se hacen a través de una diapositiva llamado pallet
(plataforma), que es un estrado de madera esquematizado de diversas dimensiones.
Sus medidas convencionales básicas son 1100mm x 1100mm como patrón internacional para
adecuarse a los diversos medios de transporte y almacenamiento. Las plataformas pueden
clasificarse de la siguiente manera:
En cuanto al número de entrada en: plataformas de 2 y de 4 entradas.
- Plataforma de 2 entradas: se usan cuando el sistema de movimiento de materiales no
requieren utilizar equipos de materiales.
- Plataforma de 4 entradas: Son usados cuando el sistema de movimiento de materiales
requiere utilizar equipos de maniobras.
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- Cajas o cajones. Es la técnica de almacenamiento ideal para materiales de pequeñas
dimensiones, como tornillos, anillos o algunos materiales de oficina, como plumas, lápices,
entre otros. Algunos materiales en procesamiento, semiacabados pueden guardar en cajas en
las propias secciones productivas las cajas o cajones pueden ser de metal, de madera de
plástico.
- Estanterías: Es una técnica de almacenamiento destinada a materiales de diversos tamaños y
para el apoyo de cajones y cajas estandarizadas.
Las estanterías pueden ser de madera o perfiles metálicos, de varios tamaños y dimensiones,
los materiales que se guardan en ellas deben estar identificados y visibles.
- Columnas: Las columnas se utilizan para acomodar piezas largas y estrechas como tubos,
barras, correas, varas gruesas, flejes entre otras. Pueden ser montadas en ruedas para facilitar
su movimiento, su estructura puede ser de madera o de acero
- Apilamientos: Las cajas o plataformas son apilados una sobre otras, obedeciendo a una
distribución equitativa de cargas, es una técnica de almacenamiento que reduce la necesidad
de divisiones en las estanterías, ya que en la práctica, forma un gran y único estante. El
apilamiento favorece la utilización de las plataformas y en consecuencia de las pilas, que
constituyen el equipo ideal para moverlos.
- Contenedores flexible: Es una de las técnicas mas recientes de almacenamiento, el
contenedor flexible es una especie de saco hecho con tejido resistente y caucho vulcanizado,
con un revestimiento interno que varia según su uso. Se utiliza para almacenamiento y
movimiento de sólidos a granel y de líquidos, con capacidad que puede variar entre 500 a
1000 kilos, el movimiento de estos contenedores puede ser por medio de grúas o apiladores.
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1.2.2.-Clasificación de las materias primas
- Catalogación: es el inventario de todos los artículos los existentes sin omitir ninguna. La
catalogación permite la presentación conjunta de todo los artículos proporcionando una idea
general de la colección.
- Simplificación: se realiza cuando existen dos o más materias para un mismo propósito.
Especificación: es la descripción detallada de un artículo, como sus medidas, formato,
tamaño, peso, etc. Cuando mayor es la especificación, se contara con más informaciones sobre
las materias y menos dudas con respecto de su composición y características.
La especificación facilita las compras del artículo, pues permite dar al proveedor una idea
precisa del material que se comprara.
- Normalización: Indica la manera en que el material debe ser utilizado en sus diversas
aplicaciones.
- Estandarización: es establecer idénticos estándares para los materiales de modo que no
existan muchas variaciones entre ellos. [Villalva 2003]
1.3.- SISTEMAS DE TRANSPORTE.
Los sistemas de transportes actualmente empleados no se limitan únicamente a la cadena sin
fin; así, las líneas de transporte pueden ser de rodillos de cintas sin fin, de plataformas guiadas
sobre bancadas o raíles, etc. Su selección depende de la aplicación a que se destina.
El sistema mas elemental es el de correa o cinta sin fin, cuya misión es estrictamente la de
transportar piezas de un punto a otro, sobre el mismo plano o distintos planos.
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La línea de rodillos se emplean preferentemente para objetos relativamente voluminosos los
cuales avanzan en ella por gravedad, a la ligera pendiente de las mismas, se aplican
primordialmente en sistemas de embalaje o de montaje, donde los tiempos invertidos en dicha
operación son relativamente largos.
El transporte por raíles puede presentar dos variantes, que las plataformas donde van los
objetos avancen sobre los raíles por gravedad o por el arrastre de una cadena. [Navarro 1975]
1.3.1.- Bandas transportadoras
En el transporte de materiales, materias primas, minerales y diversos productos se han creado
diversas formas; pero una de las más eficientes es el transporte por medio de bandas y
rodillos transportadores, ya que estos elementos son de una gran sencillez de funcionamiento,
que una vez instaladas en condiciones suelen dar pocos problemas mecánicos y de
mantenimiento.
Las bandas y rodillos transportadoras son elementos auxiliares de las instalaciones, cuya
misión es la de recibir un producto de forma más o menos continua y regular para conducirlo
a otro punto. Son aparatos que funcionan solos, intercalados en las líneas de proceso y que no
requieren generalmente de ningún operario que manipule directamente sobre ellos de forma
continuada.
1.3.2.- Funcionamiento de una cinta transportadora
Este tipo de transportadoras continuas están constituidas básicamente por una banda sinfín
flexible que se desplaza apoyada sobre unos rodillos de giro libre. El desplazamiento de la
27
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
banda se realiza por la acción de arrastre que le transmite uno de los tambores extremos,
generalmente el situado en "cabeza". Todos los componentes y accesorios del conjunto se
disponen sobre un bastidor, casi siempre metálico, que les da soporte y cohesión.
Se denominan cintas fijas a aquéllas cuyo emplazamiento no puede cambiarse. Las cintas
móviles están provistas de ruedas u otros sistemas que permiten su fácil cambio de ubicación;
generalmente se construyen con altura regulable, mediante un sistema que permite variar la
inclinación de transporte a voluntad.
1.3.3.- Funcionamiento de rodillos transportadores
El sistema de rodillos funciona por medio de un motor de rotación; el cual por a través de
cadenas, cintas u otro elemento transfiere esta energía a los diferentes rodillos, lo cual hace
que el sistema opere de una manera eficiente haciendo rodar todos los rodillos a una misma
revolución, lo cual hará giran a una misma velocidad todos los rodillos.
1.3.4.- Partes principales de una banda transportadora
Las bandas y rodillos transportadores poseen las siguientes herramientas para poder funcionar
óptimamente y con una buena eficiencia:
Estructura soportante: la estructura soportante de una cinta transportadora está compuesta
por perfiles tubulares o angulares, formando en algunos casos verdaderos puentes que se fijan
a su vez, en soportes o torres estructurales apernadas o soldadas en una base sólida.
Elementos deslizantes: son los elementos sobre los cuales se apoya la carga, ya sea en forma
directa o indirecta, perteneciendo a estos los siguientes;
28
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
Correa o banda: la correa o banda propiamente tal, que le da el nombre a éstos equipos,
tendrá una gran variedad de características, y su elección dependerá en gran parte del material
a transportar, velocidad, esfuerzo o tensión a la que sea sometida, capacidad de carga a
transportar, etc.
Polines: generalmente los transportadores que poseen éstos elementos incorporados a su
estructura básica de funcionamiento, son del tipo inerte, la carga se desliza sobre ellos
mediante un impulso ajeno a los polines y a ella misma.
Elementos motrices: el elemento motriz de mayor uso en los transportadores es el del tipo
eléctrico, variando sus características según la exigencia a la cual sea sometido. Además del
motor, las poleas, los engranajes, el moto reductor, son otros de los elementos que componen
el sistema motriz.
Tambor motriz y de retorno: la función de los tambores es funcionar como poleas, las que
se ubicaran en el comienzo y fin de la cinta transportadora, para su selección se tomarán en
cuenta factores como: potencia, velocidad, ancho de banda, entre otros.
1.4.- SISTEMA DE LLENADO DE BOTELLAS
El llenado de botellas se inicia en las máquinas lavadoras, donde varias unidades se someten a
un proceso de lavado y esterilización, que garantiza la higiene total de los envases.
Las botellas provenientes de la máquina de lavado son conducidas por una cinta
transportadora hacia el equipo de llenado del producto.
29
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
Las botellas ingresan a este proceso, secas por dentro. Las botellas ingresan a la máquina
llenadora, donde efectúan un recorrido circular.
La operación de llenado se realiza mediante un sistema de boquillas que llenan la botella con
el producto que previamente ha ingresado a una tolva alimentadora, desde donde se reparte
por un juego de tuberías y válvulas hacia las boquillas.
Una vez que la botella ha sido llenada, ésta sale a un sistema mecánico de colocación de la
tapa corona por presión.
Las botellas llenas y selladas se conducen por la banda transportadora hacia el proceso de
etiquetado.
1.4.1 Lavado de botellas
Las botellas que fueron separadas de la jaba en la desempacadora ingresan a la mesa de carga
de la máquina lavadora de botellas. Esta máquina es accionada por un operador en la mesa de
carga y por dos operadores en la descarga.
Las botellas ingresan a la máquina en forma automática; esta máquina tiene un tanque
pequeño con sosa cáustica al 3.5% y otro más grande con sosa cáustica al 2.5%. En estos
tanques se sumergen las botellas para remover toda la suciedad que contengan, la temperatura
en estos tanques es de aproximadamente 65 ºC.
Luego las botellas pasan por una serie de enjuagues, en donde se recircula el agua por medio
de bombas y al final se tiene un enjuague con agua fresca, para lo cual se utilizan boquillas
individuales para cada botella. Al final el agua se escurre y la botella sale a la mesa de
30
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
descarga completamente limpia. Cierta cantidad de agua con arrastre de sosa es enviada por
una tubería al drenaje de descarga.
1.4.2 Llenado de botellas
Las botellas provenientes de la máquina de lavado son conducidas por una cinta
transportadora hacia el equipo de llenado del producto. Las botellas ingresan a este proceso,
secas por dentro, pero aún húmedas por fuera.
Antes de la entrada a la máquina llenadora existe un sistema detector infrarrojo, que retira
automáticamente de la línea las botellas que tienen cualquier impureza en su interior. Las
botellas ingresan a la máquina llenadora, donde efectúan un recorrido circular. La operación
de llenado se realiza mediante un sistema de boquillas que llenan la botella con el producto
que previamente ha ingresado a una tolva alimentadora, desde donde se reparte por un juego
de tuberías y válvulas hacia las boquillas.
Una vez que la botella ha sido llenada, ésta sale a un sistema mecánico de colocación de la
tapa corona por presión.
Las botellas llenas y selladas se conducen por la banda transportadora hacia el proceso de
encajonamiento (colocación en las jabas), pero previamente pasan a través de una cámara de
lavado por aspersión para limpiar el exterior de las mismas y a continuación se secan con
chorros de aire a presión.
Sobre las bandas transportadoras, tanto en la parte previa al llenado, como después del mismo,
se tienen sitios iluminados para que los operadores observen a través de las botellas y
31
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
controlen la limpieza de las mismas, su contenido, así como para que retiren aquellas que no
están limpias o presentan algún otro problema como un llenado inadecuado, etc.
El control previo se usa en caso de que el detector infrarrojo no esté disponible o no se pueda
usar por alguna otra razón (un ejemplo es el caso de botellas de 200 ml, que son muy
pequeñas y frágiles).
Este sistema fue desarrollado en España en la década de los 90, basado en las experiencias del
manejo del Pet ya que en este periodo, los consumos del Pet aumento en el mundo, para
satisfacer las necesidades del mismo y poder atacar al mercado globalizado [Referencia 1.7
llenado de botellas y etiquetado Krones A.G.]
1.5.- SISTEMA DE ETIQUETADO
Dentro del etiquetado de producto primario, los segmentos de alimentación y bebidas
representan la mayor parte, seguido del segmento de cuidado del hogar y cuidado personal
como el siguiente segmento mayor.
Las etiquetas de producto son impresas principalmente con técnicas de impresión
tradicionales, como Tipografía UV, Flexo grafía, Serigrafía, Offset, Huecograbado, UV-Flexo
e impresión digital.
El etiquetado de alimentos es el segmento de uso final más diverso. Abarca el etiquetado
desde el seguimiento del producto y fechas de caducidad a las etiquetas de promoción. Las
normas y leyes sobre la seguridad alimentaría influyen en el tipo de etiquetado. Las etiquetas
utilizadas en la industria alimentaría suelen requerir una buena resistencia al aceite. En
32
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SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
muchos casos, las etiquetas también deben mantener las propiedades de adhesión a muy bajas
temperaturas de almacenamiento en congelador.
El etiquetado de botellas en la industria se elabora de diferentes maneras según sean las
necesidades de la empresa, pueden usarse sistemas de etiquetado envolvente, sistema para
etiquetado frente y dorso, sistema de etiquetado superior / inferior, sistema de etiquetado
múltiple, sistema de etiquetado en tres caras y envolvente, y en todas estas se requiere de una
maquina especial para elaborar cada trabajo.
El etiquetado de los productos varían según su clasificación estos pueden estar divididos en
alimentos, bebidas, hogar e higiene personal, farmacéuticos y sanitarios, industrial y
químicos, seguridad, automotriz y electrónica e industrial.
1.5.1.- Etiquetado de botellas de plástico para uso industrial
En muchas aplicaciones, tanto el frontal como el adhesivo deben ser resistentes al agua y a los
productos químicos y debe tener una buena durabilidad en el exterior. Suelen utilizarse los
frontales sintéticos.
Dentro de este segmento, los métodos principales de impresión utilizados son la transferencia
térmica, la térmica directa y la flexografía multicolor.
La etiqueta también desempeña una función importante en la seguridad del producto ya que
identifica al producto y posibles componentes peligrosos. La legislación de la U.E. exige a los
fabricantes la clasificación y el etiquetado de las substancias y preparados.
En
México
existe
la
NORMA
OFICIAL
MEXICANA
NOM-050-SCFI-2004,
INFORMACION COMERCIAL-ETIQUETADO GENERAL DE PRODUCTOS que tiene
33
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SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
por objeto establecer la información comercial que deben contener los productos de
fabricación nacional y de procedencia extranjera que se destinen a los consumidores en el
territorio nacional y establecer las características de dicha información, así que el etiquetado
es obligatorio para cualquier producto que se comercialice en el territorio nacional.
El etiquetado abarca grandes sectores actualmente: vinos, licores, cervezas, bebidas
alcohólicas, líquidos aromáticos, bebidas no alcohólicas, aguas embotelladas, refrescos,
productos para el calzado, aceites, etc.
La utilización de la etiqueta autoadhesiva está creciendo con rapidez en los siguientes
segmentos: la cerveza, las bebidas alcohólicas aromáticas, las bebidas no alcohólicas, y los
refrescos. Los fabricantes de bebidas eligen en su mayor parte etiquetas transparentes para
aplicarlas a un etiquetado de transparente sobre transparente, sea sobre cristal transparente o
botellas de poliéster (PET).
Una apariencia de cristal transparente se consigue con un adhesivo especial que conserva su
gran transparencia en condiciones de embotellado con humedad. Un soporte PET asegura una
capa adhesiva lisa, logrando una transparencia máxima al etiquetar la superficie.
Dependiendo de la clase de bebidas, el adhesivo y el material frontal tendrán unas demandas
específicas para su buen comportamiento en los procesos de pasteurización y en la inmersión
en cubiteras, y también para el rellenado, transporte, y posible consumo.
Se han desarrollado complejos especiales para etiquetas que soporten las diferentes
condiciones ambientales a las que pudieran ser expuestas. Dentro de los procesos es necesario
transportar los productos de un área o un proceso al siguiente en una línea de producción, esta
tarea se facilita con la utilización de un transportador de banda. “Las transportadoras son
34
Sistema automatizado para el control de embotellado
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EMBOTELLADO
elementos auxiliares de las instalaciones, cuya misión es la de recibir un producto de forma
más o menos continua y regular para conducirlo a otro punto.
Dentro del etiquetado de producto primario, los segmentos de alimentación y bebidas
representan la mayor parte, seguido del segmento de cuidado del hogar y cuidado personal
como el siguiente segmento mayor. Las etiquetas de producto son impresas principalmente
con técnicas de impresión tradicionales, como Tipografía UV, Flexo grafía, Serigrafía, Offset,
Huecograbado, UV-Flexo e impresión digital. El etiquetado de alimentos es el segmento de
uso final más diverso. Abarca el etiquetado desde el seguimiento del producto y fechas de
caducidad a las etiquetas de promoción.
Las normas y leyes sobre la seguridad alimentaría influyen en el tipo de etiquetado. Las
etiquetas utilizadas en la industria alimentaría suelen requerir una buena resistencia al aceite.
En muchos casos, las etiquetas también deben mantener las propiedades de adhesión a muy
bajas temperaturas de almacenamiento en congelador.
1.6.- ELABORACIÓN DEL PRODUCTO
El proceso de elaboración del jabón líquido se resume en: se vierte en un recipiente de
capacidad de 50 litros, en el cual se vierten las siguientes materias primas.
·
Agua
·
Alcohol
·
Jabón sin espuma
·
Colorante
·
En un tanque vertical de acero inoxidable con capacidad de 50 litros con un sistema de
agitación se coloca en su interior el agua correspondiente a la preparación del producto que se
35
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EMBOTELLADO
va a elaborar al agua se le agrega posteriormente la cantidad de jabón liquido y alcohol una
vez efectuado esto se procede a encender el agitador para mezclar las materias y tengan una
buena incorporación se dejan agitar aproximadamente 15 segundos sin el color y después se
procede a vaciar la cantidad necesaria de color.
1.7.- MÉTODOS DE EMPAQUETADO
El empaquetado debe mantener las condiciones de su contenido. En el caso de los alimentos,
ha de extraerse el aire para evitar que su deterioro los haga no aptos para el consumo hasta la
fecha de caducidad marcada en el envase.
Este último tiene que prevenir el derrame de su contenido, en especial en el caso de productos
químicos venenosos o corrosivos.
En el último siglo las latas se han hecho más ligeras y se ha inventado el abrelatas, y
posteriormente se han desarrollado los sistemas de apertura con anillas extraíbles o unidas al
envase para bebidas enlatadas.
También debe identificar su contenido y composición con etiquetas y dibujos explicativos,
incluyendo instrucciones de uso y advertencias sobre su peligrosidad cuando sea preciso. Esto
último es esencial en el caso de fármacos y productos químicos, ya sean de uso doméstico o
industrial.
Se han desarrollado envases de cartón con barnices que evitan que el producto se pegue
cuando se congela, así como envoltorios que resisten su introducción en hornos
convencionales y de microondas para satisfacer los hábitos alimenticios modernos. Los
plásticos han desempeñado un papel importante.
36
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
1.7.1.- Empaquetado de botellas plásticas
El empaquetado suele ser parte de la planificación de un sistema global de distribución. Así,
el tamaño del envase exterior debe tener un diseño específico para optimizar el espacio en los
pallets y contenedores. Los envases también han de cumplir la función de disuadir a ciertas
personas, como los clientes que intenten probar el producto.
Para averiguar si el producto ha sido abierto antes se emplean lengüetas de cierre, tiras
alrededor de los tapones y `topes' en la cubierta de las latas que saltan al romperse el vacío.
En los envases de medicinas y de productos químicos se pueden utilizar tapones y cerraduras
diseñadas para impedir que sean manipulados por los niños. También pueden diseñarse
envases especiales para las personas mayores o discapacitadas
Los materiales básicos de los envases son papel, cartón, plástico, aluminio, acero, vidrio,
madera, celulosa regenerada, tejidos y combinaciones como los laminados.
Los tipos de envase incluyen cajas de cartón, cajones, paquetes, bolsas, bandejas, ampollas,
envases forrados, botellas, jarras, latas, tubos, envases de aerosoles, tambores, embalajes y
contenedores pesados. Tanto las etiquetas como los precintos y el mismo envase se emplean
como soporte para la identificación del contenido e información comercial.
1.7.2.- Empaquetado por papel
El papel se emplea para la escritura y la impresión, para el embalaje y el empaquetado, y para
numerosos fines especializados que van desde la filtración de precipitados en disoluciones
hasta la fabricación de determinados materiales de construcción.
37
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EMBOTELLADO
El papel es un material básico para la civilización del siglo XX, y el desarrollo de maquinaria
para su producción a gran escala ha sido, en gran medida, responsable del aumento en los
niveles de alfabetización y educación en todo el mundo.
1.7.3.- Empaquetado por plástico
Empaquetado con el tema del plástico: Una de las aplicaciones principales del plástico es el
empaquetado. Se comercializa una buena cantidad de polietileno de baja densidad en forma de
rollos de plástico transparente para envoltorios.
El polietileno de alta densidad se usa para películas plásticas más gruesas, como la que se
emplea en las bolsas de basura. Se utilizan también en el empaquetado: el polipropileno, el
poli estireno, el poli cloruró de vinilo (PVC) y el poli cloruró de vinilideno. Este último se usa
en aplicaciones que requieren estanqueidad, ya que no permite el paso de gases (por ejemplo,
el oxígeno) hacia dentro o hacia fuera del paquete.
De la misma forma, el polipropileno es una buena barrera contra el vapor de agua; tiene
aplicaciones domésticas y se emplea en forma de fibra para fabricar alfombras y sogas.
1.8.- FORMAS DE AUTOMATIZACIÓN
La automatización es el estudio de los métodos y procedimientos cuya finalidad es la
sustitución del operador humano por un operador artificial en la tarea de una generación
física previamente programada.
Tomando en cuenta esta definición y ciñéndonos al ámbito industrial puede definirse la
automatización como el estudio y aplicación de la automática al control de los procesos
38
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
industriales. En función del tipo de proceso que se pretende controlar y de la forma que se
realiza dicho control.
1.8.1.- Formas de controlar un proceso
Hay dos formas de controlar un proceso industrial.
- Control de lazo cerrado
- Control de lazo abierto
Control lazo cerrado: Se caracteriza por que existe una realimentación a través de los
sensores desde el proceso hacia le sistema de control, que permite a este ultimo conocer si las
acciones ordenadas a los actuadotes se a realizado correctamente sobre el proceso.
Control lazo abierto: Se caracteriza por que la información
o variables que controlan el
proceso circulan en una sola dirección, desde el sistema de control al proceso. El sistema de
control no recibe la configuración de las acciones que a través de los actuadores ha de realizar
sobre el proceso se han realizado correctamente.
1.8.2.- Tipos de procesos industriales
Los procesos industriales en función de su evolución con el tiempo, se pueden clasificar en
algunos grupos tales como.
- Continuos
- Discreto
39
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
- Discontinúo o por lotes
Procesos continuos: se caracteriza porque las materias primas están constante mente
entrando por un extremo del sistema, mientras por el otro extremo se obtiene de forma
continúa un producto terminado.
Procesos discretos: se caracteriza porque el producto de salida se obtiene a través de una
serie de operaciones, muchas de ellas con gran similitud entre si. La materia prima es
habitualmente un elemento discreto que se trabaja de forma individua.
Proceso discontinúo: o por lotes: se caracteriza porque se recibe a la entrada del proceso la
cantidad de las diferentes piezas discretas que se necesitan para realizar el proceso. Sobre este
conjunto se realizan las operaciones necesarias para producir un producto acabado o un
producto intermedio para un proceso posterior. (Referencia automatización)
1.8.3 ELEMENTOS DE CONTROL
El estudio y aplicación de la automática al control de los procesos cuya finalidad es la
sustitución del operador humano por un operador artificial.
En función del tipo de proceso que se pretende controlar y de la forma que se realice dicho
control, el sistema de control presentará una configuración y características determinadas.
SUMARIO
Durante este capítulo se presentaron los conceptos básicos de los sistemas de etiquetado,
empaquetado y transporte de botellas plásticas, mencionando algunas características de las
40
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
botellas tales como, tipo de material, temperatura de fusión y algunas otras características,
así como la importancia de estos sistemas en la industria.
Destacando los antecedentes históricos de cada sistema y la evolución que han tenido durante
épocas pasadas tomando en cuenta que estos sistemas son importantes en la industria para
tener una mayor presentación y colocación en el mercado así como una aceptación al
consumidor final.
Tomando en cuenta algunos conceptos generales para el mejor entendimiento de los aspectos
particulares que contienen cada uno de los subsistemas y en los diferentes procesos
industriales que se puede emplear. Asimismo se mencionan los diferentes procesos de
automatización existentes para el control del etiquetado y empacado de las botellas.
Tomando en cuenta que para el etiquetado es necesaria la transportación de las botellas para el
etiquetado se menciona la importancia de los sistemas de transportación para obtener lo
requerido en el producto.
Así como las diferentes formas de transmitir el movimiento, funcionamiento.
Asimismo se tomara en consideración algunos conceptos para el análisis y el diseño de
algunos elementos necesarios para la elaboración de este proyecto, que se desglosaran en el
siguiente capitulo.
41
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
42
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
En este capitulo se seleccionara todos los
elementos que serán necesarios para correcto
diseño
de
transporte,
etiquetado
y
empaquetado de botellas plásticas.
2.-INTRODUCCION
La principal causa para implementar el
proyecto del Etiquetado y Empacado
de Botellas de plástico es aumentar la
producción
en
una
línea
semi-automatizada para una mayor producción y el aumento de la calidad del producto.
La necesidad que requiere cubrir es la automatización de todo el proceso de transporte,
etiquetado y empacado de botellas de plástico cubriendo los siguientes aspectos:
·
Diseño de banda transportadora.
·
El sistema de etiquetado de las botellas.
·
El sistema de empacado.
·
El control de los sistemas de banda transportadora, etiquetado y empacado.
·
Tener un sistema de control de todo el proceso y los sensores.
En este capituló se determinan las características de:
Sistema de banda transportadora.
Sistema etiquetado.
43
Sistema automatizado para el control de embotellado
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EMBOTELLADO
Sistema de empacado.
2.1.- Diseño de la banda transportadora
Para el diseño de la banda transportadora se toma en cuenta la velocidad a la cual se moverá la
botella para determinar el tipo de motor y sus características, se tomara en cuenta el tipo de
material de la banda transportadora a si como su forma y dimensiones
por lo cual se
determino que la banda será de tipo horizontal por el proceso e terminando que la forma de
la tablilla es regida para evitar su holgura., el material de la tabilla es de plástico.
2.1
Fig.
[ B a n d a
transportadora
de
rígidas,
tablillas
IPS,
2005]
44
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
El material la estructura de la banda transportadora es de acero inoxidable las dimensiones de
la banda en las cuales se va a efectuar el proceso fueron determinadas por la cantidad de
producción que se requiere obtener.
2.1.1.- Selección del motor.
En magnetismo se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son
las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se
vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. De acuerdo con esto,
todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los
polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así
el movimiento de rotación. En la figura 2.1 se muestra como se produce el movimiento de
rotación en un motor eléctrico.
Figura:2.2 Generación del movimiento de rotación
Un motor
eléctrico opera
primordialmente en base a dos principios: El de inducción, descubierto por Michael Faraday
45
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
en 1831; que señala, que si un conductor se mueve a través de un campo magnético o está
situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad
variable, se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio que André
Ampére observo en 1820, en el que establece: que si una corriente pasa a través de un
conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica o
f.e.m. (fuerza electromotriz), sobre el conductor.
2.1.2.- Tipos y características
Existen básicamente tres tipos de motores eléctricos:
·
Motores C.D
·
Motores C.A
·
Motores universales
2.1.2.1.- Motores C.D.
Los Motores de Corriente Directa [C.D.] o Corriente Continua [C.C.]. Se utilizan en casos en
los que es importante el poder regular continuamente la velocidad del motor, además, se
utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el
caso de motores accionados por pilas o baterías. Este tipo de motores debe de tener en el rotor
y el estator el mismo numero de polos y el mismo numero de carbones. Los motores de
corriente directa pueden ser de tres tipos:
·
Serie
·
Paralelo
·
Mixto
46
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
2.1.2.2.- Motores de C. A
Los Motores de Corriente Alterna [C.A.]. Son los tipos de motores más usados en la industria,
ya que estos equipos se alimentan con los sistemas de distribución de energías “normales”. De
acuerdo a su alimentación se dividen en tres tipos:
·
Monofásicos (1 fase)
·
Bifásicos (2 fases)
·
Trifásicos (3 fases)
2.1.2.3.- Motores Universales
Los motores universales son motores en serie de potencia fraccional, de corriente alterna, diseñados
especialmente para usarse en potencia ya sea de corriente continua o de corriente alterna. Recordemos
que el motor serie de corriente continua se caracteriza por disponer de un fuerte par de arranque y que
la velocidad del rotor varía en sentido inverso de la carga, pudiendo llegar a embalarse cuando
funciona en vacío. Estos motores tienen la misma característica de velocidad y par cuando funcionan
en c.a. o en c.c. En general, los motores universales pequeños no requieren devanados compensadores
debido a que el número de espiras de su armadura es reducido y por lo tanto, también lo será su
reactancia de armadura. Como resultado, los motores inferiores a 3/8 de caballo de fuerza
generalmente se construyen sin compensación. El costo de los motores universales no compensados es
relativamente bajo por lo que su aplicación es muy común en aparatos domésticos ligeros, por
ejemplo: aspiradoras, taladros de mano, licuadoras, etc. El motor universal es sin duda, el más
utilizado en la industria del electrodoméstico.
Tabla 2.1 Características de los motores pasos [FESTO, 2003].
Motores
Resistencia
Corriente por fase
Inductancia por fase
Ohm
Amp
mH
23HSX-102
4.6
1.0
4.6
23HSX-2002
6.2
1.0
4.8
47
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
23HSX-206
0.7
3.0
0.9
2.1.3.- Motores lineales
La explicación habitual de lo que es un motor lineal es que se trata de un motor rotatorio
“desenrollado”, es decir, que se ha cortado por uno de sus radios y se ha estirado hasta dejarlo
plano.
Hablando de un modo más preciso, un motor lineal consiste en un elemento primario, donde
se encuentran los devanados, y un elemento secundario que se extiende a lo largo de la
distancia que se va a recorrer, aportando como ventaja la posibilidad de poder disponer de
varios primarios sobre un mismo secundario. Al igual que en el caso de los motores rotatorios,
pueden existir modelos síncronos y asíncronos. Junto con las guías lineales, el sistema de
medida lineal y el regulador electrónico forman el conjunto activo de accionamiento lineal.
2.2.- SISTEMA DE ETIQUETADO
Para el sistema de etiquetado se realiza por medio de motores a pasos donde las botellas llenas
del producto son transportadas por medio de la banda hacia la maquina etiquetadora la cual
48
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
Figura: 2.3 Motores a pasos [FESTO, 2003].
Realiza su función por medio de un moto reductor.
2.2.1.- Selección de los motores a pasos
Para mayor información acerca de las características de los motores a pasos ver la Tabla 2.1.
2.2.2.- Ventajas de
los
motores
a
pasos
Los motores paso a
paso ocupan un lugar
único en el mundo del
control. Estos motores
son
comúnmente
usados
en
mediciones y aplicaciones de control. Las ventajas que otorgan son:
·
Larga vida.
·
Velocidad de respuesta elevada (<1ms).
·
Posicionamiento dinámico preciso.
·
Reinicialización a una posición preestablecida.
·
Frecuencia de trabajo variable.
·
Funcionamiento sincrónico bidireccional.
·
Sincronismo unidireccional en régimen de sobre velocidad.
·
Carencia de escobillas.
49
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
·
Insensibilidad al choque en régimen dinámico, a la regulación de la fuente de
alimentación.
2.2.3.- Desventajas de los motores a pasos
·
Puede ocurrir un fenómeno de resonancia si el motor no es controlado
·
adecuadamente.
·
Muy difícil de operar a altas velocidades.
2.3.- Sistema de empaquetado
El diseño del sistema de empacado es necesaria ya que se utilizara para el acomodo de las
botellas y este mismo se utiliza para el previó empacado de las botellas en las cajas.
Este sistema consta de una trampa tipo “E” invertida la cual es la que proporciona el
acomodo de 3 en 3 botellas para poder empacarse en la caja, esta “E” es movida por un pistón
neumático para la selección de las 6 botellas las cuales son colocadas en una “C” en la que
esta colocada la caja en posición para recibir las botellas y terminar el proceso de empacado.
2.3.1.- Sistema Neumático.
La neumática constituye una herramienta muy importante dentro del control automático en la
industria, enumeramos aquí los conceptos más importantes destinados a operarios y
encargados de mantenimiento
2.3.1.2.- Sistemas actuadores.
50
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
Los sistemas actuadores son los elementos de los sistemas de control que transforman la
salida de un microprocesador o de un sistema de control en una acción de control para una
máquina o dispositivo.
Fig.2.4 [Cilindro neumático Catálogo AU03-0900P-2/NA]
Fig.2.5 [Cilindros neumáticos de acero inoxidable, Catálogo: AU03-0900P-2/NA].
2.3.1.3.- Sistemas neumáticos e hidráulicos.
Con frecuencia las señales neumáticas son utilizadas para controlar elementos de actuación
final, incluso cuando el sistema de control es eléctrico. Esto se debe a que con dichas señales
es posible accionar válvulas de grandes dimensiones y otros dispositivos de control que
requieren mucha potencia para mover cargas considerables. La principal desventaja de los
sistemas neumáticos es la compresibilidad del aire. Las señales hidráulicas se usan en
dispositivos de control de mucha más potencia; sin embargo son más costosas que los
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sistemas neumáticos y hay riesgos asociados con fugas de aceite, que no existen en una fuga
de aire.
2.3.1.4.- Fuente de energía.
En una fuente de energía neumática, se acciona un compresor de aire con un motor eléctrico.
Ela aire que entra al compresor se filtra y pasa por un silenciador para reducir el nivel de
ruido. La válvula de alivio de presión protege contra un aumento de la presión del sistema que
exceda el nivel de seguridad. Dado que el compresor aumenta la temperatura del aire, es
posible que sea necesario un sistema de enfriamiento; para eliminar la contaminación y agua
del aire se utiliza un filtro y un separador de agua. En el receptor de aire se aumenta el
volumen del aire del sistema y se equilibran las fluctuaciones de presión de breve duración.
2.3.1.5.- Cilindros.
El cilindro neumático ó hidráulico son ejemplos de actuadores lineales. Los principios y
configuraciones son los mismos. El cilindro consiste en un tubo cilíndrico por el que se
desplaza un pistón/émbolo.
2.3.1.6.- Cilindro de simple efecto.
El término simple acción se utiliza cuando la presión se aplica solo en uno de los extremos del
pistón; en general se utiliza un resorte para oponerse al desplazamiento del pistón anterior. En
este tipo de cilindro cuando una corriente pasa por el solenoide, la válvula cambia de posición
y se aplica presión para desplazar el pistón por el cilindro. Cuando se interrumpe la corriente
que pasa por el solenoide, la válvula vuelve a su posición inicial y se desfoga aire desde el
cilindro. En consecuencia, el resorte devuelve el pistón por el cilindro.
2.3.1.7.- Cilindro de doble efecto.
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EMBOTELLADO
El término de doble efecto se utiliza cuando se aplica presión de control a los dos lados de un
pistón. La diferencia de presión entre ambos produce el movimiento del pistón, el cual se
desplaza por el cilindro en alguna de las dos direcciones debido a las señales de alta presión.
En e cilindro de doble efecto la corriente que pasa por un solenoide causa el desplazamiento
del pistón en una dirección, en tanto que la corriente que pasa por el otro solenoide invierte la
dirección del movimiento.
El cilindro es el dispositivo mas comúnmente utilizado para conversión de la energía antes
mencionada en energía mecánica. La presión del fluido determina la fuerza de empuje de un
cilindro, el caudal de ese fluido es quien establece la velocidad de desplazamiento del mismo.
La combinación de fuerza y recorrido produce trabajo, y cuando este trabajo es realizado en
un determinado tiempo produce potencia. Ocasionalmente a los cilindros se los llama
"motores lineales".
2.3.2.- Válvulas.
Los mandos neumáticos están constituidos por elementos de señalización, elementos de
mando y una parte de trabajo, Los elementos de señalización y mando modulan las fases de
trabajo de los elementos de trabajo y se denominan válvulas. Los sistemas neumáticos e
hidráulicos lo constituyen:
·
Elementos de información
·
Órganos de mando
·
Elementos de trabajo
Para el tratamiento de la información y órganos de mando es preciso emplear aparatos que
controlen y dirijan el flujo de forma preestablecida, lo que obliga a disponer de una serie de
elementos que efectúen las funciones deseadas relativas al control y dirección del flujo del
aire comprimido o aceite.
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EMBOTELLADO
En los principios del automatismo, los elementos reseñados se mandan manual o
mecánicamente. Cuando por necesidades de trabajo se precisaba efectuar el mando a
distancia, se utilizaban elementos de comando por émbolo neumático (servo).
Actualmente, además de los mandos manuales para la actuación de estos elementos, se
emplean para el comando procedimientos servo-neumáticos y electro-neumáticos que efectúan
en casi su totalidad el tratamiento de la información y de la amplificación de señales.
La gran evolución de la neumática y la hidráulica ha hecho, a su vez, evolucionar los procesos
para el tratamiento y amplificación de señales, y por tanto, hoy en día se dispone de una gama
Figura 2.6 Representación de un interruptor de limite
Muy extensa de válvulas y distribuidores que nos permiten elegir el sistema que mejor se
adapte a las necesidades.
Hay veces que el comando se realiza neumáticamente o hidráulicamente y otras nos obliga a
recurrir a la electricidad por razones diversas, sobre todo cuando las distancias son
importantes y no existen circunstancias adversas.
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Dispositivos de mando, regulan y distribuyen la energía neumática hacia los actuadores:
·
Distribuidoras
·
De bloqueo
·
De presión
·
De caudal
·
De aislamiento
2.3.2.1- Válvulas distribuidoras
Estas válvulas son los componentes que determinan el camino que ha de tomar la corriente de
aire, a saber, principalmente puesta en marcha y paro (Start-Stop).Son válvulas de varios
orificios (vías) los cuales determinan el camino el camino que debe seguir el fluido bajo
Figura 2.7 tipos de accionamiento de válvulas
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Figura 2.8 accionamiento manual
Figura 2.9 accionamiento mecánico
presión para efectuar operaciones tales como puesta en marcha, paro, dirección, etc.
Pueden ser de dos, tres, cuatro y cinco vías correspondiente a las zonas de trabajo y, a la
aplicación de cada una de ellas, estará en función de las operaciones a realizar.
Representación:
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·
1 cuadro por posición
·
En cada cuadro con flechas las conexiones internas
·
(UNI o vi. direccionales, vías cerradas con línea transversal)
·
Las conexiones externas se representan sobre la posición de reposo o la inicial
Se representa la red de aire por: y la de escape por:
·
Líneas de mando son discontinuas
·
Cruces y conexiones (con un punto)
2.3.2.2.- Accionamiento de válvulas.
Según el tiempo de accionamiento se distingue entre:
1. Accionamiento permanente, señal continua.
La válvula es accionada manualmente o por medios mecánicos, neumáticos o eléctricos
durante todo el tiempo hasta que tiene lugar el reposicionamiento. Este es manual o mecánico
por medio de un muelle.
2. Accionamiento momentáneo, impulso
La válvula es invertida por una señal breve (impulso) y permanece indefinidamente en esa
posición, hasta que otra señal la coloca en su posición anterior.
Pilotaje o mando se nombran por las vías que unen
NC, normalmente cerrada (la vía de presión)
NA, normalmente abierta (la vía de presión)
·
Por su accionamiento
·
Manual
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·
Mecánico
Por su construcción interna:
·
Corredera
·
Asiento
·
Disco
2.4.- PLC
Los Controladores Lógicos Programables o PLC (Programadle Logic Controller en sus
siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados.
Los PLC actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en redes de
área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de control distribuido.
Los componentes de un PLC básico son los siguientes:
·
Rack principal
·
Fuente de alimentación
·
CPU
·
Tarjetas entradas/ salidas digitales
·
Tarjetas entradas/ salidas analógicas
·
Tarjetas especiales
2.4.1 Rack principal.
Este elemento es sobre el que se "enchufan" o conectan el resto de los elementos. Va
atornillado a la placa de montaje del armario de control. Puede alojar a un número finito de
elementos dependiendo del fabricante y conectarse a otros racks similares mediante un cable
al efecto, llamándose en este caso rack de expansión.
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2.4.2 Fuente de alimentación.
Es la encargada de suministrar la tensión y corriente necesarias tanto a la CPU como a las
tarjetas (según fabricante). La tensión de entrada es normalmente de 110/220VAC de entrada
y 24 DCV de salida que es con la que se alimenta a la CPU.
2.4.3.- CPU
Es el cerebro del PLC. Consta de uno o varios microprocesadores (según fabricante) que se
programan mediante un software propio. La mayoría de ellos ofrecen varias formas de
programación (lenguaje contactos, lenguaje nemónico o instrucciones, lenguaje de funciones,
grafcet, etc). Trabajan según la lógica de 0 y 1, esto es, dos estados para un mismo bit.
Normalmente trabajan con bases de 16 bits, del 0 al 15 aunque algunos modernos trabajan con
bases de 32 bits. Según los modelos de CPU ofrecen en principio más o menos capacidad de
memoria pero también va ligado esto a un aumento de la velocidad del reloj del procesador y
prestaciones de cálculo o funciones matemáticas especiales.
Hoy en día la potencia de cálculo de estos PLC es grandísima, sobre todo si se trabaja con
números reales o coma flotante, dando unas resoluciones más que deseables. Trabajando con
programas digitales puede alcanzarse un ciclo de scan de 10 ms. Con analógicas y un
programa básico puede llegarse a los 40 ms, mucho mas rápido que cualquier sistema de
lectura analógico o válvula de control.
El programa alojado en la CPU va escrito en un lenguaje propio de la misma, se ejecuta en
una secuencia programable y tiene un principio y un final. El tiempo que transcurre entre los
dos se llama ciclo de scan y hay un temporizador interno que vigila que este programa se
ejecute de principio a fin, llamado "perro guardián" o "watchdog". Si este temporizador
finaliza y el programa no ha ejecutado la instrucción END, el PLC pasará a estado de STOP.
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2.4.4.- Tarjetas entradas/ salidas digitales
Se enchufan o conectan al rack y comunican con la CPU a través de la citada conexión. En el
caso de las entradas digitales transmiten los estados 0 o 1 del proceso (presostatos, finales
carrera, detectores, conmutadores, etc) a la CPU. En el caso de las salidas, la CPU determina
el estado de las mismas tras la ejecución del programa y las activa o desactiva en
consecuencia.
Normalmente se utilizan tarjetas de entradas de 24 DCV y salidas de 24 DCV, aunque
también las hay de 110 y 220 VAC, depende de las preferencias y normativas locales. Las hay
de 8, 16 y 32 entradas o salidas o mezclas de ambas.
2.4.5.- Tarjetas entradas/ salidas analógicas
Se enchufan o conectan al rack de igual manera que las anteriores, pero teniendo en cuenta
que en algunos modelos de PLCs han de estar situadas lo mas cerca posible de la CPU. Estas
tarjetas leen un valor analógico e internamente lo convierten en un valor digital para su
procesamiento en la CPU. Esta conversión la realizan los convertidores analógico-digitales
internos de las tarjetas que en algunos casos es uno para todos los canales de entrada o salida
aunque actualmente se tiene uno por cada canal de entrada o salida. En este último caso el
procesamiento de las señales analógicas es mucho mas rápido que en el otro.
Estas tarjetas son normalmente de 2, 4, 8 o 16 entradas/salidas analógicas, llamándose a cada
una de ellas canal y empezando por el 0, esto es, una tarjeta de 4 canales analógicos
comenzaría por el 0 y terminaría en el 3. Los rangos de entrada están normalizados siendo lo
más frecuente el rango de 4-20 mA (miliamperios) y 0-10 DCV, aunque también existen de
0-20 mA, 1-5V, 0-5V, etc.
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Lo mas importante a la hora de elegir una tarjeta analógica es que esta disponga de separación
galvánica para cada canal, es decir, que los canales sean totalmente independientes
electrónicamente unos de otros dentro de la propia tarjeta para que no se afecten mutuamente
por efecto de una mala tierra o derivación a la misma de uno de ellos.
2.4.6.- Tarjetas especiales
Se enchufan o conectan al rack y comunican con la CPU a través de la citada conexión. Se
utilizan normalmente para control o monitorización de variables o movimientos críticos en el
tiempo, ya que usualmente realizan esta labor independientemente de la CPU. Son algunas
muestras las siguientes:
·
Tarjetas de contage rápido
·
Tarjetas de posicionamiento de motores
·
Tarjetas de regulación
Partes principales del PLC
·
La memoria programable: aquí se encuentran las instrucciones para la
secuencia de control lógico.
·
La memoria de datos: las condiciones de cambio, ínter bloqueó valores
pasados de datos y otros datos de trabajo se encuentran en esta memoria.
·
Dispositivos de salida: estos son los controladores de hardware/ software
para los procesos industriales como motores y válvulas.
61
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·
Dispositivos de entrada: estos son los controladores de hardware/ software
para los sensores de procesos industriales como sensores de cambio de
estado, sensores de proximidad, ajustes de ínter bloqueó y mas.
2.5.- Sensores
Actualmente seria impensable realizar maniobras complicadas, dentro del mundo industrial,
sin dos elementos ampliamente extendidos en nuestros días, por una parte los autómatas
programables y por otra los sensores, que permiten controlar las variables que afectarán al
proceso industrial
2.5.1.- Sensores de posición
Su función es medir o detectar la posición de un determinado objeto en el espacio, dentro de
este grupo, podemos encontrar los siguientes tipos de captadores;
·
LOS CAPTADORES FOTOELÉCTRICOS
La construcción de este tipo de sensores, se encuentra basada en el empleo de una fuente de
señal luminosa (lámparas, diodos LED, diodos láser etc...) y una célula receptora de dicha
señal, como pueden ser fotodiodos, fototransistores o LDR etc.
Este tipo de sensores, se encuentra basado en la emisión de luz, y en la detección de esta
emisión realizada por los fotodetectores.
Según la forma en que se produzca esta emisión y detección de luz, podemos dividir este tipo
de captadores en: captadores por barrera, o captadores por reflexión.
2.5.2.- Captadores
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- Captadores por barrera. Estos detectan la existencia de un objeto, porque interfiere la
recepción de la señal luminosa.
- Captadores por reflexión; La señal luminosa es reflejada por el objeto, y esta luz reflejada es
captada por el captador fotoeléctrico, lo que indica al sistema la presencia de un objeto.
2.5.3.-Sensores de contacto
Estos dispositivos, son los más simples, ya que son interruptores que se activan o desactivan
si se encuentran en contacto con un objeto, por lo que de esta manera se reconoce la presencia
de un objeto en un determinado lugar.
Su simplicidad de construcción añadido a su robustez, los hacen muy empleados en robótica.
2.5.4.- Sensores de movimiento
Este tipo de sensores es uno de los más importantes en robótica, ya que nos da información
sobre las evoluciones de las distintas partes que forman el robot, y de esta manera podemos
controlar con un grado de precisión elevada la evolución del robot en su entorno de trabajo.
Dentro de este tipo de sensores podemos encontrar los siguientes:
2.5.4.1.-Sensores de deslizamiento
Este tipo de sensores se utiliza para indicar al robot con que fuerza ha de coger un objeto para
que este no se rompa al aplicarle una fuerza excesiva, o por el contrario que no se caiga de las
pinzas del robot por no sujetarlo debidamente.
Su funcionamiento general es simple, ya que este tipo de sensores se encuentran instalados en
el órgano aprehensor (pinzas), cuando el robot decide coger el objeto, las pinzas lo agarran
con una determinada fuerza y lo intentan levantar, si se produce un pequeño deslizamiento del
objeto entre las pinzas, inmediatamente es incrementada la presión le las pinzas sobre el
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objeto, y esta operación se repite hasta que el deslizamiento del objeto se ha eliminado gracias
a aplicar la fuerza de agarre suficiente.
2.5.4.2.- Sensores de velocidad
Estos sensores pueden detectar la velocidad de un objeto tanto sea lineal como angular, pero
la aplicación más conocida de este tipo de sensores es la medición de la velocidad angular de
los motores que mueven las distintas partes del robot. La forma más popular de conocer la
velocidad del giro de un motor, es utilizar para ello una dinamo tacométrica acoplada al eje
del que queremos saber su velocidad angular, ya que este dispositivo nos genera un nivel
determinado de tensión continua en función de la velocidad de giro de su eje, pues si
conocemos a que valor de tensión corresponde una determinada velocidad, podremos
averiguar de forma muy fiable a qué velocidad gira un motor. De todas maneras, este tipo de
sensores al ser mecánicos se deterioran, y pueden generar errores en las medidas.
Existen también otros tipos de sensores para controlar la velocidad, basados en el corte de un
haz luminoso a través de un disco perforado sujetado al eje del motor, dependiendo de la
frecuencia con la que el disco corte el haz luminoso indicará la velocidad del motor.
2.5.4.3.- Sensores de aceleración
Este tipo de sensores es muy importante, ya que la información de la aceleración sufrida por
un objeto o parte de un robot es de vital importancia, ya que si se produce una aceleración en
un objeto, este experimenta una fuerza que tiende ha hacer poner el objeto en movimiento.
Supongamos el caso en que un brazo robot industrial sujeta con una determinada presión un
objeto en su órgano terminal, si al producirse un giro del mismo sobre su base a una
determinada velocidad, se provoca una aceleración en todo el brazo, y en especial sobre su
órgano terminal, si esta aceleración provoca una fuerza en determinado sentido sobre el objeto
que sujeta el robot y esta fuerza no se ve contrarrestada por otra, se corre el riesgo de que el
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objeto salga despedido del órgano aprehensor con una trayectoria determinada, por lo que el
control en cada momento de las aceleraciones a que se encuentran sometidas determinadas
partes del robot son muy importantes.
2.5.4.4- Sensores de proximidad
Estos sensores pueden estar basados en algo simple como en la operación mecánica de un
actuador o, tan complejo como en la operación de un sensor de proximidad fotoeléctrico con
discriminación de color.
e) Sensores de detección difusa. Iguales a los anteriores pero los lentes son divergentes, y se
usan para detectar objetos muy próximos (1.5 m de alcance).
f) Sensores de Fibra Optica. En este tipo, el emisor y receptor están ínter construidos en una
caja que puede estar a varios metros del objeto a sensar. Para la detección emplean los cables
de fibra óptica por donde circulan los haces de luz emitido y recibido. La mayor ventaja de
estos sensores es el pequeño volumen o espacio ocupado en el área de detección.
2.5.4.5- Sensores neumáticos de proximidad
Algunas veces por su simpleza olvidamos que existen sensores que detectan la presencia o la
falta de una presión neumática, y que se han usado por años en las industrias papeleras para
controlar que el enrollado del papel sea parejo.
Estos sensores son extremadamente confiables y requieren muy poco mantenimiento.
2.5.4.6- Sensores de presión
Los sensores de presión sofisticados funcionan a base de celdas de carga y de sus respectivos
amplificadores electrónicos, y se basan en el conocido puente de Wheatstone, donde una de
sus piernas está ocupada por el sensor. Este sensor es básicamente una resistencia variable en
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un sustrato que puede ser deformado, y lo cual ocasiona el cambio en el valor de la
mencionada resistencia.
Los sensores comunes de presión son interruptores eléctricos movidos por una membrana o,
un tubo Bourdón. El tubo Bourdón se abre hacia afuera con el aumento de presión y este
movimiento es transmitido a un interruptor, el cual es accionado cuando la posición del tubo
corresponde con un ajuste preseleccionado.
En el caso de los interruptores de presión por diafragma, la fuerza provocada por la presión
censada actúa sobre un resorte, el cual al ser vencido actúa sobre un microinterruptor. Es
obvio que el resorte determina el rango de presión de operación.
2.5.5.- Encoder
Un tipo especial de sensor de proximidad es el "encoder" o codificador, ya que con él se
puede obtener la distancia exacta de proximidad.
Para la medición angular se utiliza un disco codificado montado en un eje. La transformación
de la codificación mecánica en una señal eléctrica proporcional se consigue por la posición del
disco utilizando sensores electromagnéticos (tipo Inductosyn), inductivos o acopladores
ópticos. En el caso de posicionado inductivo, el código del disco tiene la forma de segmentos
de cobre en serie. Con este método, el trasductor consiste en un sensor tipo herradura, cuyo
consumo eléctrico varía de acuerdo con el grado de interferencia de su campo magnético. Esta
señal es empleada a continuación por el equipo de control.
El posicionamiento óptico de un disco segmentado es el método más usual, donde la
codificación consiste en sectores transparentes y opacos. Cuando el disco gira, el recorrido de
la luz al sensor óptico se abre y se bloquea alternativamente, produciendo así una salida digital
en proporción con el movimiento y la posición.
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2.5.5.1.- Encoders Incrementales
Los "encoders" incrementales suministran un número específico de impulsos por cada
revolución completa del eje. Esta cuenta de impulsos está determinada por el número de
divisiones o segmentos del disco de codificación. Ej. El disco de codificación consta de 360
segmentos, por lo tanto por revolución del eje, se obtendrán 360 impulsos. Es decir, un
impulso por grado angular.
Hay disponibles tres versiones del generador de impulsos rotativo: canal simple, doble y
triple.
El tipo de canal simple (Señal A) es empleado donde el sentido del movimiento no cambia, ni
se tienen vibraciones. En el caso contrario, son mejores los de doble canal (Señales A y B),
también llamados de señales en cuadratura porque una señal está defasada en 90 grados de la
otra, lo cual sirve para detectar el sentido del giro. El tercer canal (Señal Z) es una señal de
posición que aparece una vez por revolución, y es empleado para regresar a ceros contadores
en sistemas controlados digitalmente (CNC, PLCs, etc.).
Los problemas más frecuentes con los codificadores son causados por un pobre blindaje del
conductor o, por la distancia tan larga y la frecuencia tan alta con la que trabaja el aparato. Un
buen cable aterrizado únicamente en el contador y, un codificador de señales complementarias
(A, noA, B, noB y Z) resuelven en su mayor parte estos problemas.
2.5.5.2.- Encoders Absolutos
A diferencia de los "encoders" incrementales, los del tipo absoluto proporcionan una
combinación única de señales para cada posición física. Esto resulta una ventaja importante,
ya que no es necesario un contador para la determinación de la posición.
La combinación de señales se establece mediante un patrón de código de sectores
transparentes y opacos en varias pistas de un disco rotativo. El número de pistas de código
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disponibles determina la resolución máxima del codificador en la totalidad de los 360 grados.
En el caso de las pistas codificadas en binario, la resolución máxima es de 2^n siendo "n" el
número de pistas. Por consiguiente, para 10 pistas, la resolución es de 2^10 = 1024.
Una característica importante de la lectura de modo paralelo es que la posición real se registra
inmediatamente cuando se conecta inicialmente la alimentación eléctrica, o después de un
cambio de posición sin potencia aplicada o si se excede del número de revoluciones por
minuto permitidas electrónicamente (desventajas del tipo incremental).
El código de Gray es el sistema de codificación más usado. Este método de codificación tiene
la ventaja de producir un cambio de código de un sólo dígito binario en el desplazamiento de
una posición a la siguiente.
Aunque se ha mencionado únicamente el funcionamiento de los "encoders" rotativos, los
lineales trabajan de la misma manera.
2.5.6.- Sensores de caudal de aire
Los sensores de caudal de aire contienen una estructura de película fina aislada térmicamente,
que contiene elementos sensibles de temperatura y calor. La estructura de puente suministra
una respuesta rápida al caudal de aire u otro gas que pase sobre el chip.
2.5.7.- Sensores de corriente
Los sensores de corriente monitorizan corriente continua o alterna. Se incluyen sensores de
corriente lineales ajustables, de balance nulo, digitales y lineales. Los sensores de corriente
digitales pueden hacer sonar una alarma, arrancar un motor, abrir una válvula o desconectar
una bomba. La señal lineal duplica la forma de la onda de la corriente captada, y puede ser
utilizada como un elemento de respuesta para controlar un motor o regular la cantidad de
trabajo que realiza una máquina.
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2.6.-Transmisiones mecánicas con elementos flexibles.
Los elementos de máquina de estructura flexible como bandas, cables o cadenas se utilizan en
sistemas de transporte y en la transmisión de potencia mecánica a distancias relativamente
grandes. En muchos casos su aplicación simplifica el diseño de un mecanismo ó una máquina
y reduce notablemente el costo.
Además, puesto que estos elementos suelen ser elásticos y de gran longitud, desempeñan un
papel importante en la absorción de cargas de choque y en el amortiguamiento y separación de
los efectos de las vibraciones. Esta es un importante ventaja en lo que concierne a la duración
de una máquina
Los elementos sumamente flexible no tienen duración infinita. Cuando se utilizan, es
importante establecer un programa de inspecciones para prevenir el desgaste el
envejecimiento y perdida de elasticidad. Los elementos deben cambiarse a la primera señal de
deterioro.
2.6.1.- Bandas de transmisión.
Las poleas abombadas se usan con bandas planas y las ranuradas se emplean con elementos de
sección redonda o trapecial en “V”. las bandas sincronizadas o las cadenas requieren poleas
dentadas ó ruedas catarinas, respectivamente. En todos los casos los ejes de las poleas deben
estar separados en una distancia mínima, la que depende del tipo y tamaño de la banda, a fin
de tener un buen funcionamiento. Algunas características de las bandas son:
·
Pueden utilizarse para grandes distancias entre centros.
·
Excepto para las bandas de sincronización, existe un ciero deslizamiento y cadencia o
estirado permanente, y por tanto no es constante la relacion entre las velocidades
angulares entre los dos ejes, ni exactamente igual a la relación entre los diámetros de
las poleas.
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·
En algunos casos una polea guía ó tensora, puede utilizarse para evitar ajustes entre la
distancia entre centros, que generalmente son necesarios para compensar el desgaste ó
en la instalación de bandas nuevas.
Las bandas planas se fabrican de uretano y también de tela impregnada de caucho (hule)
reforzada con alambres de acero ó cuerdas de nilón (nylon) para resistir la carga de tensión.
Una o ambas superficies pueden tener un revestimiento superficial con material de fricción.
Las bandas planas son silenciosas, eficientes a altas velocidades y pueden transmitir grandes
valores de potencia sobre grandes distancias entre centros. Dos o más bandas en movimiento
de lado a lado, en vez de una sola banda ancha, se emplea con frecuencia para formar un
sistema transportador.
2.6.2.- Transmisiones de cadena de rodillos.
Las características de las transmisiones de cadena son una relación de velocidad constante
puesto que no hay deslizamiento ni distensión , larga duración ó vida útil y la aptitud de
impulsar varios ejes desde una misma fuente de potencia.
Las cadenas de rodillos han sido estandarizadas por la ANSI en cuanto a tamaños. El paso es
la distancia lineal entre centros de dos rodillos. El ancho es el espacio interior entre las placas
de eslabón. Estas cadenas se fabrican con simples, dobles, triples y cuádruples torones (o
cordones).
Aunque se considera deseable un gran número de dientes en una rueda impulsora, en el caso
usual es ventajoso obtener una rueda catarina lo más pequeña posible y esto requiere una
rueda con pocos dientes. En el caso de una operación uniforme a velocidades moderadas y
altas se considera buena practica usar una rueda impulsora con por lo menos de 17 dientes; 19
o 21 darán, desde luego una expectativa mejor de vida útil con menor ruido de la cadena.
Donde las limitaciones de espacio son importantes o para velocidades muy bajas pueden
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utilizarse números de dientes más pequeños sacrificando la expectativa de duración de la
cadena.
Las catarinas impulsoras no se fabrican en tamaños estándares con más de 120 dientes, debido
a que el alargamiento del paso originará eventualmente que la cadena “cabalgue” en alto
mucho antes que se desgaste. Las transmisiones de cadena más eficaces tienen relaciones de
velocidades hasta de 6:1, pero los valores más utilizados aunque se abrevie la duración de una
cadena
Las cadenas de rodillos rara vez fallan debido a la resistencia a la tensión; con más frecuencia
se rompen debido a ser sido sometidas a muchas horas de servicio. La falla real puede darse
debido al desgaste de los rodillos sobre los pasadores o a fatiga en las superficies dichos
rodillos.
2.6.3.- Cables metálicos
Los cables metálicos se fabrican según de dos tipos de torcido o torzal. El torzal regular, que
es el de uso común, tiene los alambres torcidos en un sentido para formar los torones ( o
cordones), y estos se tuercen en sentido contrario para formar el cable.
En el cable terminado todos los alambres quedan aparentemente paralelos al eje del cable.
Los cables de torzal regular no se tuercen ( forman cocas) o destuercen, y son fáciles de
manejar.
Los cables con torzal Lang tienen los alambres de cada toron y los tones que forman el cable
torcidos en el mismo sentido y, por tanto los alambres se ven exteriormente en dirección
diagonal según el eje del cable. Este tipo de cable es más resistente al desgaste por abrasión y
a la falla por fatiga que los de torzal regular, pero tienen más tendencia a formar cocas y a
destorcerse.
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Una vez que se ha realizado una selección tentativa de un cable con base en resistencia
estática, la siguiente consideración es asegurar que la duración útil del cable y de la polea o
poleas, cumpla ciertos requisitos. Cuando un cable cargado se flexiona o dobla sobre una
polea, tal elemento se estira como un resorte, roza contra la garganta d aquella y origina así el
desgaste del propio cable y de su polea. La magnitud de tal efecto depende de la presión del
cable sobre la ranura de la rondana, esta presión se denomina presión de apoyo p.
2.7.- Engranes
Los engranes son ruedas cilíndricas dentadas que se emplean para transmitir movimiento y
potencia desde un mismo eje o flecha giratorio desde otro. Los dientes de un engrane impulsor
se insertan, enlazándose con precisión, en los espacios entre los dientes del engrane que es
impulsado. Los dientes impulsores empujan a los dientes que son impulsados, ejerciendo una
fuerza perpendicular al radio del eje.
Por consiguiente se transmite un torque y, debido a que el engrane esta girando, también se
transmite potencia.
2.7.1.- Engranes rectos.
Los engranes rectos, son engranes cilíndricos que tienen sus dientes paralelos al eje de
rotación y se utilizan para transmitir movimiento de un eje a otro que es paralelo. De los
cuatro tipos, el engrane recto es el más sencillo para desarrollar las relaciones cinemáticas
primarias de la forma de los dientes.
2.7.2.- Engranes helicoidales
Son engranes cilíndricos que tienen los dientes inclinados o no paralelos al eje de rotación.
Los engranes helicoidales pueden utilizarse para las mismas aplicaciones que los engranes
rectos y, cuando se utilizan en esta forma no son tan ruidosos, debido al acoplamiento más
gradual de los dientes durante el enduentado ya que el diente inclinado desarrollo también
72
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SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
cargas de empuje axial y pares flexionantes que no están en los engranes rectos. Algunas
veces los engranes helicoidales se emplean para transmitir movimiento entre ejes no paralelos.
El ángulo de hélice es el mismo e cada engrane, pero cada hélice debe tener una hélice
derecha y el otro debe tener una hélice izquierda. La forma del diente es una helicoide de
envolvente. Si una pieza de papel cortada en la forma de un paralelogramo se enrolla
alrededor de un cilindro, el borde mayor del papel se convierte en una hélice. Si
desenrollamos esa tira, cada punto del borde citado genera una curva envolvente. Esta
superficie obtenida cuando todo punto del flanco genera una envolvente recibe el nombre de
helicoide de envolvente.
2.7.3.- Engranes cónicos
Tienen los dientes formados en superficies cónicas y se utilizan principalmente para transmitir
movimiento entre ejes que intersecan. Los engranes cónicos espirales se cortan de manera que
un diente ya no sea recto si no que forme un arco circular.
Los engranes helicoidales son muy similares a los cónicos en espiral salvo que los ejes están
desplazados y no se interceptan.
Cuando se van a usar engranes para transmitir movimiento entre árboles o ejes con lineas
centrales que se cortan, es cuando se requiere un engrane cónico. Aunque estos tipos de
engranes suelen hacerse para un ángulo de ejes de 90°, estos se pueden producir casi para
cualquier ángulo. Los dientes pueden ser forjados, fresados o generados. Solo los dientes
generados pueden considerarse exactos.
2.7.4.- Engranes sinfín
Como se indica un elemento llamado sinfín o gusano se parece a un tornillo. El sentido de
rotación del otro elemento, llamado rueda o engrane del sinfín, depende del sentido de
rotación del gusano y de si los dientes del mismo están cortados a la derecha o a la izquierda.
73
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EMBOTELLADO
Los engranes del tornillo sinfín se construyen también de modo que los dientes de uno o de
dos elementos envuelvan parcialmente a otro. Estos engranes reciben el nombre de, según el
caso, de engranajes de sinfín de tipo envolvente simple o doble. Los mecanismos del gusano o
sinfín se usan principalmente cuando las relaciones de velocidad de los dos ejes son muy
altas, por ejemplo, 3 ó mas.
2.8.- Resistencia de materiales
La resistencia de materiales amplía el estudio de las fuerzas que se inició en la mecánica pero
existe una diferencia obvia entre
ambas materias. El campo de la mecánica abarca
fundamentalmente las relaciones entre las fuerzas que actúan sobre un sólido indeformable.
La estática estudia los sólidos en equilibrio, mientras que la dinámica estudia los sólidos
acelerados, aunque se puede establecer el equilibrio dinámico mediante la introducción de las
fuerzas de la inercia.
En contraste con la mecánica, la resistencia de los materiales estudia y establece las relaciones
entre las cargas exteriores aplicadas y sus efectos en el interior de los sólidos. Además no
supone que los sólidos son idealmente indeformables, como en la primera, si no que las
deformaciones, por pequeñas que sean, tienen gran interés. Las propiedades del material de
que se construye una estructura ó una máquina afectan tanto a su elección como a su diseño,
ya que se deben satisfacer las condiciones de resistencia y de rigidez.
La resistencia de materiales estudia la distribución interna de esfuerzos que produce un
sistema de fuerzas exteriores aplicadas. Para ello se suele hacer un corte ideal en el sólido por
una sección de exploración, buscando que fuerzas deben actuar en esta sección para
determinar el equilibrio del cuerpo libre en cada una de las dos partes en que ha quedado
dividido el cuerpo. En general el sistema de fuerzas internas equivale a una fuerza y un par
resultantes que, por conveniencia, se descomponen según la normal y la tangente a la sección.
Sumario
74
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SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
Durante este capítulo se presentaron los subsistemas básicos que se deben considerar al
diseñar un sistema de transportadora, etiquetado y empacado; es importante señalar que
debido a que no existe ninguna bibliografía con una metodología de diseño establecida, este
proyecto por conveniencia iniciará con el diseño mecánico, eléctrico, electrónico y por último
el control del mismo.
Se demuestra en este capítulo que pueden existir infinidad de opciones al diseñar unos
sistemas de transporte, etiquetado y empacado; aunque su elección, como se demuestra en los
siguientes capítulos, depende directamente de la aplicación para la cual sea planteado.
Se presentan en los siguientes capítulos la elecciones de diseño más coherentes para la
aplicación del sistema de etiquetado y empacado de botellas, en una forma automática. Así
como la justificación de las mismas en su implementación.Cabe resaltar que para fines del
presenta trabajo, los conceptos presentados en este capítulo servirán de base para la
comprensión de los elementos básicos presentados en posteriores capítulos.
75
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
OBJETIVO GENERAL:
Este capitulo contendrá los cálculos de cada
uno de los componentes empleados como lo
son:
·
Ejes de la banda, Motor de la banda,
Engranes, Cadena,
·
Motores para el etiquetado
·
Cilindros neumáticos
3.- INTRODUCCIÓN
En este capitulo se realizaran los cálculos para la selección del motor de la banda
transportadora, los ejes , catarinas y cadena por lo que se realizaran los siguientes cálculos:
·
Cálculo del torque del motor
·
Cálculo de las deformaciones de los ejes
76
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SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
·
Cálculo del peso de la cinta transportadora
·
Calculo del coeficiente de fricción
3.1 CÁLCULO PARA EL MOTOR
Para la potencia del motor y el tipo que se va a emplear.
Se aplica la siguiente ecuación.
3.1.1.- ECUACIÓN PARA UN TRANSPORTADOR HORIZONTAL.
La ecuación depende del peso, longitud, coeficiente de rozamiento del material, peso del
material, coeficiente de rozamiento entre la banda y el material donde se va a transportar.
1……………………(( Ecuación 1)
Donde:
W = Peso de la cadena [lb / pie]
Wo = peso del material a transportar [lb / pie]
L = Longitud [pie]
F = Coeficiente de rozamiento del elemento
F1= Coeficiente de rozamiento del material
Peso de la cadena por unidad de longitud (metros).
Basándose en la tabla de dimensiones de cadenas estandarizadas (fabricación estadounidense)
se obtiene que con un paso de ¾ pulg. Se tiene un peso de 1.00 lb/ft
77
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SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
Dado que:
Se obtiene que:
Por lo tanto:
Transformándolo a Newton se tiene:
El peso por botella es de 0.260 Kg. Por lo tanto:
Transformándolo a Newtons se tiene:
Tomando en cuenta el peso de la banda y la longitud que es de 3.5m, el peso de la cadena y
del material se distribuyen en el total de la distancia, el peso distribuido de la cadena es
78
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EMBOTELLADO
Fig. 3.1 Viga
Fig. 3.2 Diagrama de cortantes
Fig. 3.3 Diagrama de Momentos flexionantes
El peso del producto es de 15.303 N.
Por lo tanto se distribuye en la longitud de la banda.
79
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Fig. 3.4 Viga
Fig. 3.5 Diagrama de cortantes
Fig. 3.6 Diagrama de Momentos flexionantes
80
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Pasando los datos al sistema ingles tenemos:
W = 33.802 N/m
W = 4.37 N/m
= 33.802
=2.02
=4.37
L = 3.5m
Sustituyendo en la Ec. 1
T=2
T = 46.379 lb + 1.202 = 47.58 lb
HP =
HP
Tomando en cuenta que la transmisión de movimiento es a través de cadena de acuerdo a
parámetros de diseño para el impulso de la cadena se tendrá un mínimo de 17 dientes en el
engrane de transmisión. La relación de velocidad es de Rv =2 tomando en cuenta el numero
de dientes de la rueda dentado conducida es de 34 dientes.
El tipo de cadena es estandarizada con un paso de ¾ pulg.
81
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3.2 CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LOS ENGRANES.
El diámetro de paso de un engrane con N dientes para una cadena de paso P se obtiene por la
siguiente Ecuación.
………………… (Ecuación2)
Donde:
D = diámetro del engrane
P = Paso del diente
N = Numero de dientes
3.2.1 DIÁMETRO DEL PASO DEL ENGRANE IMPULSOR
3.2.2 DIÁMETRO DEL PASO DEL ENGRANE CONDUCIDO
82
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3.2.3 CALCULO DE LA VELOCIDAD LINEAL
En el engrane conducido se necesita una velocidad de 0.250m/s. Se determinan las
revoluciones por minuto para esta velocidad lineal a partir de la siguiente ecuación
….......................(Ecuación 3)
Donde
V = Velocidad lineal
r = Radio de la rueda conducida (pulg.)
w = Velocidad angular (rad/s).
Sustituyendo de la ecuación 3
Usando la siguiente ecuación y relacionando la velocidad angular y las revoluciones por
minuto se obtiene
83
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EMBOTELLADO
………………..(Ecuación4)
Sustituyendo en la ecuación
2.56
Como la relación de velocidad es de 2 se requiere que el engrane impulsor tenga una
velocidad de.
Se requiere un moto reductor que entregué 49rpm del catalogo de motores Mecánica Falk (
MOTORES 1750 RPM, 60 CICLOS, 4 POLOS ). Tenemos un motor de 45rpm relación
AGMA de 38.44, por lo consiguiente se tomara el próximo superior ya que no cumple los
requerimientos necesarios que se necesita, por lo cual el próximo superior es. Un moto
reductor de 56rpm con una relación AGMA de 31.39 [ Falk, 2003]
3.3 CÁLCULO DEL EJE
Para poder calcular el eje se calcular como una viga con dos apoyos, para poder calcular el
diámetro del eje por la formula de ASME. Sabiendo que el eje mide 150mm y la carga
aplicada en el centro de la viga es de 211.736N tenemos:
84
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Despejando RB
Por simetría RA = RB = 105.868N
105.868+105.868=211.736N
85
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Fig. 3.7 Representación del eje
Fig. 3.8 Diagrama de esfuerzos cortantes
Fig. 3.9 Diagrama de momentos flexionantes
86
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Por medio de la ecuación de ASME se determinara el diámetro de la flecha por lo cual se
aplica en este caso.
87
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Basándose en las medidas comerciales de los diámetros de las flechas y tomado el calculo
arrojado por la formula se escogerá un diámetro de 1plg .
3.4 CALCULO DE LA CUÑA
88
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Potencia transmitida= 49 HP
89
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3.5.- CÁLCULOS DE LOS CILINDROS NEUMÁTICOS
Fuerza del émbolo
La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende de la presión del aire, del diámetro del cilindro
del rozamiento de las juntas. La fuerza teórica del émbolo se calcula con la siguiente fórmula:
Cilindro doble efecto (en el avance)
…………..(Ecuación 5)
Fuerza efectiva o real del embolo
3.5.1.- Cálculo para el pistón de la “E” invertida
Requisitos:
Fuerza que tiene que mover el pistón:
2.5 Kg.
Presión de trabajo:
3 bars. Equivalentes a 300,00
Basándose en los anteriores datos se obtiene que:
Pero también se tiene que:
90
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Despejando A de la ecuación:
Superficie del émbolo
de la siguiente formula se despeja D:
Superficie anular del émbolo
Fuerza teórica de empuje en el avance
Resistencia de rozamiento
Fuerza real de empuje del embolo en el avance
91
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Fuerza teórica de tracción del émbolo en el retorno
Resistencia de rozamiento
Fuerza real de tracción del émbolo en el retorno
VASTAGO
LONGITUD DE CARRERA
SUMINISTRO DE AIRE
Fig. 3.1 Cilindro neumático
3.5.2.- Cálculo del pistón de empuje de la caja
Requerimientos:
Fuerza que tiene que mover el pistón:
1.710 Kg.
92
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EMBOTELLADO
Presión de trabajo:
3 bars. Equivalentes a 300,00
Basándose en los anteriores datos se obtiene que:
Pero también se tiene que:
Despejando A de la ecuación:
Superficie del émbolo
de la siguiente formula se despeja D:
Superficie anular del émbolo
Fuerza teórica de empuje en el avance
93
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Resistencia de rozamiento
Fuerza real de empuje del embolo en el avance
Fuerza teórica de tracción del émbolo en el retorno
Resistencia de rozamiento
Fuerza real de tracción del émbolo en el retorno
3.5.3.- Cálculo del pistón neumático de las puertas de la trampa
Requerimientos:
Fuerza que tiene que mover el pistón:
0.150 Kg.
Presión de trabajo:
3 bars. Que equivalen a 300,000
94
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EMBOTELLADO
Basándose en los anteriores datos se obtiene que:
Pero también se tiene que:
Despejando A de la ecuación:
Superficie del émbolo
de la siguiente formula se despeja D:
Superficie anular del émbolo
Fuerza teórica de empuje en el avance
Resistencia de rozamiento
Fuerza real de empuje del embolo en el avance
95
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Fuerza teórica de tracción del émbolo en el retorno
Resistencia de rozamiento
Fuerza real de tracción del émbolo en el retorno
Tomando en cuenta que se usaran pistones neumáticos es necesaria una unidad de
mantenimiento, mostrada en la figura anterior
96
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EMBOTELLADO
Figura 3.2 [Unidad de mantenimiento.]
Para la selección de la unidad de mantenimiento se tomo en cuenta:
Tamaño: micro
Conexión neumática: M5
Fluido: aire comprimido
Construido por:
97
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EMBOTELLADO
·
Unidades de filtro y regulador
·
Lubricador proporcional estándar
·
manómetro
Posición: vertical
Margen de regulación de presión: 0.5 a 7 bar
Presión de entrada: 0 a 10 bar
En la siguiente figura se mostrara la vista seccionada de la unidad de mantenimiento, para
poder identificar sus componentes internos y tener una mejor noción de los mismos. Fig. 3.3
98
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Figura 3.3. [Vista en sección]
99
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Figura 3.4 [VISTA DE LA UNIDAD DE MANTENIMIENTO]
Figura 3.4 [Electro válvula 5/3]
100
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Figura 3.6 [Diagrama de funcionamiento electro válvula 5/3]
La selección de la válvula esta dada por el tipo de funcionamiento que va a realizar, se
selecciono una válvula 5/3 debido a una posición intermedia en donde el flujo de aire no sea
continuo hacia los actuadores, de este modo se determino que sea este tipo de válvula.
Las características que presentan este tipo de válvulas son:
El bajo consumo de electricidad
Montaje directo en el cilindro o en partes móviles
Mínimos tiempos de reacción
Optimización en instalaciones
Accionamiento auxiliar manual fácil de usar.
Por lo que a continuación se presenta la propuesta de electro válvula.
Electroválvula MICRO CPE10
101
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Figura 3.7.[ Elementos de la electro válvula.]
102
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Figura 3.8 [Vista en Sección de la electro válvula 5/3]
Figura 3.9. [Dimensiones de la electrovalbula 5/3]
3.5.4.- Cálculo del soporte de la banda
Con
se tiene que:
103
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Fig. 3.9 Representación del eje
Fig. 3.10 Diagrama de esfuerzos cortantes
104
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Fig. 3.11 Diagrama de esfuerzos flexionantes
Momento de flexión máximo.
Pendiente en el extremo
Deflexión máxima
105
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3.5.5.- Cálculo de la estructura de la “C”
Fig. 3.12 Representación del eje
Fig. 3.13 Diagrama de esfuerzos cortantes
Fig. 3.14 Diagrama de esfuerzos flexionantes
106
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3.6-Pendiente en A
107
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3.7-Deflexión
Sumario
En este capitulo se presentan los cálculos requeridos para el diseño del sistema de etiquetado y
empacado de botellas de plástico. De los componentes necesarios para el diseño del sistema
Así como los cálculos que permiten la selección de los motores a pasos, moto reductor
cilindro neumáticos y la estructura necesaria para realizar la armadura.
Asimismo nos permite la selección de los sensores, de las electro válvulas , las conexiones
para el tuvo flexible, válvulas reguladoras de presión.
108
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También la selección de los componentes electrónicos para el arranque de los motores, se
determinaron las características de dichos componentes.
Lo cual nos permitirá obtener el costo de diseño de ingeniería y costos en general de cada uno
de los componentes.
109
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OBJETIVO GENERAL:
Este capitulo presenta el estudio económico
correspondiente a la tesis presentada,
·
Material a maquinar
·
Costos de ingeniería
·
Fabricación de engrane
·
Fabricación de las flechas
·
Costo de los cilindros neumáticos
Así como otros costos necesarios.
4.- COSTOS.
La estimación del costo del proyecto tiene como objetivo establecer un presupuesto base que
sea el elemento de control del costo del proyecto.
En ente capitulo se hace un estimado económico del proyecto, considerando todos y cada uno
de los aspectos a tomar en cuanto son:
·
Tecnología
110
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·
Proceso de fabricación
·
Estimado horas –hombre
·
Transporte
MATERIAL A MAQUINAR
4.1. Acoplamiento Del Motor y La Flecha
Como datos se tiene la potencia y la velocidad
PM = 3/4 HP
VM = 1800rpm
Vflecha = 49rpm
Fig. 4.1 En
se puede observar como se acoplara la flecha con el moto reductor
este dibujo
1.- Se debe de conocer el diámetro mayor de las dos piezas. Para la velocidad de 1800
revoluciones se propone que el cople sea de 2”
2.- Conociendo la longitud de la cuña de la flecha se obtendrá la longitud de la cuña del cople
en la parte del eje del moto reductor.
111
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Cuña =
3.- Se necesita conocer el cortante y el esfuerzo de tensión.
El material es Cold Roll SAE 1020 ( acero dúctil)
Con esta grafica se conoce el esfuerzo del material. Sy. = 60,000
4.2Con diagrama de circulo de Mohr se aprecian los esfuerzos que afectan a la partícula.
112
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Trabajando al 30% del esfuerzo a tensión.
Para los esfuerzos cortantes se tomara la mitad de los esfuerzos a tensión
c=
Ecuación.............................1
=964.67lb plg
De la ecuación 1 despejamos l
Por lo cual la longitud final es menor a 2” a la propuesta por lo consecuente la selección es la
correcta.
113
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Fig. 4.2 COPLE
4.3.- Concepto de Ingeniería
Costos de ingeniería
Meses
No. de personas
Horas
Costo x Hora
Total
Agosto
1
30
$ 75.00
$ 2,250.00
Septiembre
1
46
$ 75.00
$ 3,450.00
Octubre
1
35
$ 75.00
$ 2,625.00
Noviembre
1
55
$ 75.00
$ 4,125.00
Diciembre
1
15
$ 75.00
$ 1,125.00
114
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EMBOTELLADO
TOTAL: $ 13,575
4.4.- Material Ya Manufacturado.
4.4.1.- Costos del moto reductor
Marca: SIMMENS
Características: Velocidad de entrada: 1800rpm
Velocidad de salida: 40-125rpm
Especificaciones: Potencia ¾ HP
Monofásico
Alto rendimiento
Materiales: Flecha del rotor de acero inoxidable
Carcasa: PBT Du Pont
Conductor de cobre aislado clase D (155º C)
Cuña de ½ x ½
Precio: $5,000.00
4.4.2.- Fabricación del Engrane.
115
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SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
Tomando en cuenta que el diseño del engrane que se efectuó con los cálculos mostrados
anteriormente se determina el costo de diseño de ingeniería del engrane.
Precio $1,000.00
·
Compra de la pieza en bruto para la fabricación del engrane:
Características: Diámetro del engrane 4” el engrane se fabricara en Cold Roll 1020 (acero
dúctil).
·
Costo de la pieza de Cold Roll por Kg:
Precio $45.00( Olmos de México)
·
Peso de la pieza de Cold Roll:
5 Kg. (con un diámetro de 4.5” )
·
Costo de la pieza de Cold Roll :
Precio $225.00
·
Costo del proceso de torneado de la pieza :
Precio $1,000.00
( Incluyendo el diámetro interno que es de 1” tomando en cuenta que el eje de la
flecha es de 0.770” por lo cual
será de ¾”
·
Costo del proceso del generado del engrane:
Para el generado del engrane se necesitara del uso de una maquina generadora de engranes, el
costo por este proceso
Precio $2,000.00
·
Costo de la fabricación del cuñero:
116
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EMBOTELLADO
Dimensiones de la cuña
- Longitud de la cuña 0.107”
- Altura
0.500”
Precio: $250.00
·
Costo del tratamiento térmico que se empleara para el engrane,
Este tratamiento esta basado en calentar el material a una temperatura aproximada de
700ºC y será enfriado por medio de aceite.
Precio: $1,200.00
En la siguiente tabla se mostrara en forma organizada el precio de la fabricación del engrane.
Cantidad Diseño de Costo
de en
ingeniería
granes
2
de Procesó de Proceso de Fabricación Tratamiento
material
torneado
en bruto
$1,000.00
$500.00
generación
del cuñero
térmico
$500.00
$2,400.00
de engrane
$2,000.00
$4,000.00
TOTAL: $10,400.00
4.4.3 Fabricación De Las Flechas.
·
Costo de diseño de ingeniería de las flechas
Tomando en cuenta el diseño de las flechas efectuado en los cálculos
mostrados
anteriormente se determina el costo de ingeniería de las flechas
Precio: $600.00
·
Costo del material para la fabricación de las flechas
117
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SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
Material: Cold Roll
Precio del Cold Roll por Kg.
Precio: $45.00
Peso del material para la fabricación de las flechas. 1Kg. Por flecha.
Al necesitar dos flechas el costo de las mismas es
Precio: $90.00
·
Costo del torneado de las flechas
Precio: $400.00
En la siguiente tabla se muestra el costo en orden de cada uno de los procesos para la
fabricación de las flechas.
Cantidad de flechas
2
Costo de diseño de
Costo del material
ingeniería
por Kg.
$600.00
$90.00
Costo de torneado
$800.00
TOTAL: $1,490.00
4.4.4 Costo de cadena de tablillas plásticas:
Marca: Eurobelt.
Modelo: 273_TB138
Características:
- Tablillas de material plástico
- Pendiente dimensiones
- Longitud total de la bando 7m
- Materia rígido PET. 60120
118
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EMBOTELLADO
Precio: $8,000.00
4.4.5 Costos de los motores paso a paso
Marca: Machi- Net
Modelo: 23HS5608
Características:
- Angulo de paso: 1.8º
- Dos Fases
- Corriente: de 3 A
- Resistencia de 0.75ohms/fase
- Inductancia: 3mH/fase
- Troqué: de 130N.m ( 13208 g. cm. )
- Largo: 56mm
- Modo: unipolar
- Cable: No. 8
Precio: $650.00
4.4.6 Costo de los sensores.
Marca: SLZ
Características:
- Voltaje de 10-30 VCD
- Temperatura de trabajo (-25º C a 55º C.)
- Peso 55gr.
- Consumo de corriente ( 0.8 mA. )
Precio: $150.00
119
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
4.4.7 Costo de los cilindros neumáticos
Marca: Festo
Modelo: DSN-20-P
Características:
- Diámetro: 20mm
- Presión de trabajo: 1 a 10bar máx.
- Carrera: 10 a 250mm
Precio: $2,500.00
4.3.7. Electro válvula 5/2
Marca: Micro
Modelo: SB 0 1/8”
Montaje: Montaje compatible o placa de adaptación a norma o geométrica de finida por el
cliente
Especificaciones:
- Conexión de trabajo G 1/8”
-Temperatura ambiente: -5º C a 50º C
-Temperatura de fluido: -10º C a 60º C
-Fluido: Aire comprimido filtrado ( se recomiendo lubricación ) – Gases inertes
-Presión de trabajo: 0 a 6 bar.
- Caudal nominal: 420 l/min (0.42 Cv)
- Frecuencia 24 Hz. (con reacción neumática y 6 bar)
Material: Cuerpo de Zamac, distribución de acero inoxidable, sello de NBR.
Precio: $ 1,500.00
4.4.8 Electro válvula 3/2
120
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
Marca: Micro
Modelo: SB 1 NAMUR 1/8”
Montaje: Superficie de montaje según norma
Especificaciones:
- Conexión de trabajo G 1/8” de pilotaje
-
Temperatura ambiente –5º C a 50º C
- Temperatura del fluido –10º C a 60 º C
- Fluido aire comprimido filtrado (se recomiendo lubricación )
- Presión de trabajo 0 a 6 bar
- Caudal nominal: 1000 l/min ( 1,016 Cv)
- Frecuencia a 6bar 18 Hz. (reacción neumática)
16 Hz. (reacción de resorte)
Material: Cuerpo de Zamac distribuidor de aluminio, sello de NBR
Precio: $2,500.00
* Nota se necesitara de uso de dos electro válvulas de este mismo tipo.
4.4.9 Costo de fabricación de la “E” invertida.
Material: Duraluminio
·
Costo de ingeniería de la “E” invertida.
Tomando en cuenta el tiempo de diseño se determino el costo
Precio: $900.00
121
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
·
Costo del material para la fabricación de la “E” invertida.
Precio de la lamina de duraluminio por Kg.
Precio: $20.00
Peso de la lamina de duraluminio para la fabricación de la “E” invertida 3 Kg.
Por lo tanto el costo del material para la fabricación de la “E” es de
Precio: $60.00
En la fabricación de la “E” invertida no se necesitara de ningún tipo de maquinado
tal como torneado, rectificado, etc. Lo único que se necesitara será perforar la
lamina para que se pueda remachar.
Precio: $400.00
En la siguiente tabla se muestra la información del costo de la fabricación de la “E”
invertida.
Cantidad
Costos de ingeniería
Costos de material
Costos de mano de
obra
1
$900.00
$60.00
$400.00
TOTAL: $1,360.00
4.4.10Costo de fabricación de la “C”
Material: Duraluminio:
·
Costos de diseño de ingeniería
Tomando en cuenta el tiempo de diseño se determino el costo
122
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
Precio: $900.00
·
Costo del material para la fabricación de la “C”
Precio de la lamina de duraluminio por Kg.
Precio: $20.00
Peso de la lamina de duraluminio para la fabricación de la “C” invertida 8 Kg.
Por lo tanto el costo del material para la fabricación de la “C” es de
Precio: $160.00
·
Costo de fabricación y armado la “C”
Tomando en cuenta que el peso que soportara la “C” es de un orden de 2.600 Kg. Se
determina que el armado de la “C” se puede realizar con simple remachado por lo cual
solo se tomara la mano de obra para su armado.
Precio: $500.00
En la siguiente tabla se muestra el costo total de la fabricación de la “C”
Cantidad
Costos de ingeniería Costos del material
Costo de mano de
obra
1
$900.00
$160.00
$500.00
TOTAL:1,560.00
123
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
4.4.11 Costo del perfil
Material: Aluminio
Costo por tramo de 3m $ 250.00
Metros necesarios para la construcción de la base 10m
Precio: $ 7,500.00
4.4.12 Costo del PLC
Marca: MICROLOGIX
Modelo: WHIT 1000
Características:
- Voltaje 24V.CA
- Entradas 8
- Salidas 14
- Corriente que consume 400mA.
Precio: $8,000.00
·
Costo total del material y equipo: $ 30,200.00
·
COSTO TOTAL DEL PROYECTO:
Costo de ingeniería
$17,875.00
Costo del equipo
$44,200.00
TOTAL
$62,075.00
124
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
4.5 Compilando Total De Los Componentes.
COSTOS DE INGENIERÍA
Meses
No. de personas
Horas
Costo x Hora
Total
Agosto
1
30
$ 75.00
$ 2,250.00
Septiembre
1
46
$ 75.00
$ 3,450.00
Octubre
1
35
$ 75.00
$ 2,625.00
Noviembre
1
55
$ 75.00
$ 4,125.00
Diciembre
1
15
$ 75.00
$ 1,125.00
COSTOS DE FABRICACIÓN DE LOS ENGRANES
Cantidad Diseño de Costo
de en
ingeniería
de Procesó de Proceso de Fabricación Tratamiento
granes
material
torneado
en bruto
2
$1,000.00
$500.00
generación
del cuñero
térmico
$500.00
$2,400.00
de engrane
$2,000.00
$4,000.00
COSTOS DE FABRICACIÓN DE LAS FLECHAS
Cantidad de flechas
2
Costo de diseño de
Costo del material
ingeniería
por Kg.
$600.00
$90.00
Costo de torneado
$800.00
COSTO DE FABRICACIÓN DE LA “E” INVERTIDA
Cantidad
Costos de ingeniería
Costos de material
Costos de mano de
obra
1
$900.00
$60.00
$400.00
COSTOS DE FABRICACIÓN DE LA “C”
125
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
Cantidad
Costos de ingeniería
Costos del material
Costo de mano de
obra
1
$900.00
$160.00
$500.00
DIBUJOS Y DIAGRAMAS ELECTRICOS
126
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
DIAGAMA DE CONEXIÓN DE MOTORES A PASOS
127
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
128
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
DIAGRAMA DE ARRANQUE PARA EL MOTO REDUCTOR
129
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
130
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
DIAGRAMA NEUMITICO:
131
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
DIAGRAMAS DE CONTROL DEL (PLC).
Señales de
Sensores
Entrada
132
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
101
Banda
transportadora
102
Etiquetado
103
Empacado
903
Rele 1
904
Rele 2
Señales de
Controladas
salida
011
Electro válvula 1
012
Elector válvula 2
013
Electro válvula 3
CONCLUCIONES
133
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
Al finalizar esta investigación se comprobó que los sistemas automatizados hoy en día forman
gran parte en la industrial, ya sean micro o medianas empresas. Ya que la mayoría de ellas
manejan sistemas de control de embotellado, es importante el desarrollo tecnológico para su
mayor aprovechamiento y mejor desempeño en el ámbito comercial, ya que las grandes
industrias les llevan gran ventaja en estos procesos por su gran tecnología que desarrollan por
la cual su desempeño es mas notorio.
Por lo que las micro mediano empresario, por el alto costo de los sistemas de control de
embotellado no pueden adquirir dicho sistema, estos los realizan en forma manual o sumíautomática algunos procesos tales como etiquetado y empacado de botellas por lo que la
calidad en estos no es lo esperado para el cliente final y no obtienen las ventas esperadas en
sus productos.
Por lo cual con un sistema más económico que realice estos procesos aumentara su calidad en
la vista el público, mejorando su aspecto y poder entrar mejor al mercado teniendo un mejor
desenvolvimiento en sus ventas.
134
Sistema automatizado para el control de embotellado
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE
EMBOTELLADO
BIBLIOGRAFIA
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MECÁNICA DE MATERIALES
RUSSELL C. HIBBELER
CECSA
·
DISEÑO DE MAQUINAS
ROBERT SHIDLEY
Mc. GRAW HILL
·
ELEMENTOS DE MAQUINARIA
ROBERT FAIRES
MONTANER Y SIMÓN
·
THEORY AND PROBLEMS OF MACHINE DESIG
ALLEN S. HALL; ALFRED R. HOLOWENKO; HERMAN G. LAUGHLIN
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·
MANUAL DE FABRICACION DE ENGRANES
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·
ELECTRONICA INDUSTRIAL
TOMITHY J. MALONEY
PRENTICE HALL
·
DISEÑO DIGITAL
M.MORRIS MANO
PRENCE HALL
·
PROGRAMA DE FABRICACION
FESTO
·
INTRODUCCION EN LA NEUMATICA
FESTO
135
Sistema automatizado para el control de embotellado